EP4634060A1 - Procede de gestion des transitions de puissance entre modes de generation - Google Patents

Procede de gestion des transitions de puissance entre modes de generation

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Publication number
EP4634060A1
EP4634060A1 EP23838189.1A EP23838189A EP4634060A1 EP 4634060 A1 EP4634060 A1 EP 4634060A1 EP 23838189 A EP23838189 A EP 23838189A EP 4634060 A1 EP4634060 A1 EP 4634060A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power
generation mode
low pressure
turbomachine
sharing
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
EP23838189.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Meriem ABDELLATIF
Florent Jean-Arnaud ROUGIER
Guillaume François Daniel BIDAN
Anne Marie LIENHARDT
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 SA
Original Assignee
Safran SA
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Publication of EP4634060A1 publication Critical patent/EP4634060A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants
    • B64D27/33—Hybrid electric aircraft
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of DC sources
    • H02J1/102—Parallel operation of DC sources being switching converters
    • 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
    • B64D2221/00—Electric power distribution systems onboard aircraft
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2105/00—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load
    • H02J2105/30—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles
    • H02J2105/32—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles for aircrafts

Definitions

  • the present invention relates to the field of internal hybridization of more electric or even highly electrified aircraft turbomachines.
  • climate change is a major concern for many legislative and regulatory bodies around the world. Indeed, various restrictions on carbon emissions have been, are or will be adopted by various states. In particular, an ambitious standard applies both to new types of aircraft but also to those currently in circulation requiring the implementation of technological solutions in order to make them comply with current regulations. Civil aviation has been mobilizing for several years now to make a contribution to the fight against climate change.
  • Turbomachine hybridization is carried out by an electrical system providing the interface between the mechanical shafts of the turbomachine and the electrical network of the aircraft.
  • This system must make it possible to ensure the starting functions of the turbomachine (HP and/or LP), the generation of controlled electrical power to power the propulsive and non-propulsive loads and the injection or withdrawal of controlled power on the drive shafts. the turbomachine to assist it if necessary.
  • the balance between the power consumed by the loads and the power generated by the available sources is ensured by controlling the bus voltage (in frequency and in maximum amplitude for the AC voltage and in amplitude for the DC voltage), while respecting the system constraints.
  • the architectures of the internal hybridization systems of a turbomachine 100 are based on DC channels connected in parallel, typically an HP channel (corresponding to the high pressure shaft 102 of the turbomachine ) and a BP channel (corresponding to its low pressure shaft 104). These two DC channels are each produced by an electrical machine 106, 108, typically a synchronous machine with permanent magnets, associated with a reversible AC/DC controlled power converter 110, 112 delivering a direct voltage to a DC bar 114 connected to the loads 116 to be powered (propulsive and/or non-propulsive).
  • the control of the reversible power converters is conventionally ensured by a control module 118 which receives its orders from the controller of the turbomachine ECU 120 (for “Electronic Control Unit” in English).
  • An external source typically a set of batteries or supercapacitors, associated with a reversible DC/DC converter (the assembly not being illustrated) can also be connected in parallel to these HP and BP channels to provide power on the HP and/or LP shafts, for example when starting the turbomachine.
  • the generation of power from the HP and LP shafts of the turbomachine has a different impact on its performance (operability) or on the thrust it generates depending on the sample shaft requested.
  • the turbomachine controller therefore has the particular function during the mission of adapting the percentages of participation of the electrical machines in this power generation to optimize its operating point. For this, the ECU 120 will ask the control module 118 to share the sampling powers between the HP and LP trees to supply the loads 116 of the network which generally have dynamic behaviors which can be variable, in particular the loads called active.
  • this sharing of sampling powers between the HP and BP trees requested by the ECU can, over the duration of a mission, vary according to several successive modes, such as a first generation mode in which 60% of the power is taken from the HP shaft and 40% of the power is taken from the LP shaft and a second generation mode in which 100% of the power is taken from the LP shaft, as illustrated.
  • a first generation mode in which 60% of the power is taken from the HP shaft and 40% of the power is taken from the LP shaft
  • a second generation mode 100% of the power is taken from the LP shaft
  • Document US 20220371532 proposes an electrical system comprising a first electric machine coupled to a first gas turbine and a second electric machine coupled to a second gas turbine.
  • the invention is the result of technological research aimed at very significantly improving the performance of aircraft and, in this sense, contributes to reducing the environmental impact of these aircraft.
  • the main aim of the present invention is therefore to limit the impacts of power withdrawals when there is a change in generation mode, while respecting the quality constraints of the electrical network.
  • Another goal is to make it possible to manage a possible load impact during this change in generation mode.
  • the predetermined duration is between 1 and 10 seconds.
  • this additional draw is carried out at the time of the impact according to the first power sharing or according to the second power sharing, the smoothing function f(t) remaining applied upstream of this moment from the start of the transition and downstream of this moment until the end of the transition.
  • the additional power draw is carried out on each of the high or low pressure shafts according to the first power sharing and responds to the following equation:
  • the invention also relates to a turbomachine (typically an aeronautical turbomachine such as a hybrid turbofan, a hybrid turboprop or a hybrid helicopter turbomachine) implementing the aforementioned method.
  • a turbomachine typically an aeronautical turbomachine such as a hybrid turbofan, a hybrid turboprop or a hybrid helicopter turbomachine
  • the turbomachine may further comprise an adaptation module configured to generate the smoothing function and arranged between a control module receiving power instructions from an ECU and power converters associated with the electrical machines mounted on the shafts. high and low pressure.
  • FIG. 1 Figure 1 illustrates an architecture of an internal hybridization system of a turbomachine according to the invention
  • Figure 2 shows the impact of the invention on the sampling power instructions
  • Figure 3 shows a first example of the appearance of the sampling power instructions following additional sampling in the transition phase
  • Figure 4 illustrates a first example of implementation of the control logic making it possible to obtain the appearance of the instructions in Figure 3,
  • Figure 5 shows the different stages of a first example of a process making it possible to obtain the appearance of the instructions in Figure 3,
  • Figure 6 shows a second example of the appearance of the sampling power instructions following additional sampling in the transition phase
  • Figure 7 illustrates a second example of implementation of the control logic making it possible to obtain the appearance of the instructions in Figure 6,
  • Figure 8 shows the different stages of a second example of a process making it possible to obtain the appearance of the instructions in Figure 6,
  • Figure 9 shows an architecture of an internal hybridization system of a turbomachine according to the prior art
  • Figure 10 illustrates the power sampling instructions associated with the architecture of the prior art.
  • the principle of the invention is based on limiting the impacts of power draw on the high pressure (HP) and/or low pressure (LP) shafts in the event of a change in generation mode, by introducing a smoothing function for the setpoints of the sampling powers while guaranteeing that the total sampling power allows the power supply of the electrical network of the turbomachine and the aircraft.
  • this smoothing function f(t) allowing a smooth transition between two generation modes is obtained by the addition of an adaptation module 200 of the instructions received from the ECU and intended for the electrical machines.
  • This module is arranged between the control module 118 and the power converters 110, 112 associated with the electrical machines 106, 108 mounted on the high and low pressure shafts 102, 104.
  • Figure 2 illustrates the sampling power instructions during the transition phase (smoothing) reflecting the change in generation mode, after integration of the smoothing function carried out by the adaptation module 200.
  • the passage of the first generation mode in which 60% of the power is taken from the HP shaft and 40% of the power is taken from the LP shaft, to the second generation mode in which 100% of the power is taken from the shaft BP is no longer immediate, at a given time tO as in the prior art, but is spread over a longer period (typically between 1 and 10 seconds) between a time tl and a time t2 during which the power taken from each tree will gradually (and not abruptly) pass from its current level in the first generation mode to its future level in the second generation mode, without modification of the total power consumed by the electrical network.
  • K a proportionality factor
  • tau a time constant.
  • this transition phase is no longer immediate, the case must be considered where a power draw request arrives during this transitional phase where the steady state has not yet been reached.
  • Figure 3 shows the appearance of the power instructions obtained with this initial sharing.
  • the initial power sharing is 60% on the HP tree and 40% on the LP tree and we want to go to 0% on the HP tree and 100 % on the BP tree and if during the transition phase between time tl and time t2, there is at a time ti a modification in the power demands of the consumers, for example an additional demand of 50% to arrive at a total power PI as illustrated, then in this case, the new power demand from consumers will be taken 60% from the HP tree and 40% from the LP tree at the point of application of the change in sampling.
  • Figure 4 illustrates the control logic implemented in the adaptation module to respond to this equation.
  • a block 300 for detecting a change of mode a block for inhibiting the transition 302, a block for storing the old and new modes 304, a block for generating the old power setpoint 306, a block for generating the new power setpoint 308, a block for generation of the transition 310 and a block for merging the old and new power instructions 312.
  • a first step 400 the power setpoint on the HP shaft is at Xi% (for example 60%) of the power consumed and that on the tree BP at yi% (for example 40%) of this power consumed, defining a power requested in the first generation mode PO.
  • a request for a change of generation mode in the power ratio is detected and the transition is then initiated in application of the smoothing function f(t) in a new step 404.
  • step 406 at time ti, an AP load impact (PI-PO) is noted due to an additional request to bring the power to the requested power in the second PI generation mode and this load impact is immediately passed on on high and low pressure powers according to the initial power sharing.
  • PI-PO AP load impact
  • the dynamics of the transition is taken up on the basis of the smoothing function until the end of the transition at time t2 and obtaining the steady state at the power PI in a power ratio at x 2 % for high pressure and y 2 % for low pressure in a final step 410.
  • the initial power sharing is 60% on the HP tree and 40% on the BP tree and we want to go to 0% on the HP tree and at 100% on the BP tree and if during the transition phase, between time tl and time t2, there is at a time ti a modification in the power demands of consumers, for example an additional demand of 50% to arrive at a total power PI as illustrated, then in this case, the new power demand from the consumers will be taken at 0% from the HP shaft and 100% from the LP shaft until steady state is reached.
  • Figure 7 illustrates the control logic implemented in the adaptation module to respond to this equation. It is conventionally organized around different functional blocks which will develop the current setpoint (setpoint) from the selected generation mode (Mode) and the evolution of the setpoint (setpoint vect): the mode change detection block 300 , the transition inhibition block 302, the block for generating the old power setpoint 306, the block for generating the new power setpoint 308, the block for generating the transition 310 and the block for merging the old and new power instructions 312.
  • the power setpoint on the HP shaft is at Xi% (for example 60%) of the power consumed and that on the BP tree at yi% (for example 40%) of this consumed power, defining a requested power PO.
  • Xi% for example 60%
  • yi% for example 40%
  • step 406 at time ti, a load impact AP (P1-P0) is noted due to an additional demand to bring the total power to the power requested in the second generation mode PI and this load impact is immediately passed on to the high and low pressure powers according to the final power sharing.
  • step 412 the dynamics of the transition is taken up on the basis of the smoothing function until the end of the transition at time t2 and obtaining the steady state at the requested power PI in a power ratio at x 2 % for high pressure and y2% for low pressure in the final step 410.
  • turbomachine regardless of the number of electrical machines mounted on the propulsion system and the type of turbomachine, such as a hybrid turbofan, a hybrid turboprop or a hybrid helicopter turbomachine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Procédé de gestion des transitions de puissance entre un premier mode de génération et un second mode de génération dans une turbomachine ayant un arbre haute pression sur lequel est prélevé une puissance haute pression et un arbre basse pression sur lequel est prélevé une puissance basse pression, le premier mode de génération correspondant à un premier partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le second mode de génération correspondant à un second partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression, la somme des puissances haute et basse pression prélevées dans chaque mode de génération définissant une même puissance totale, la transition entre le premier mode génération et le second mode de génération se faisant pendant une durée prédéterminée (t2-t1) en appliquant une même fonction de lissage f(t) à la fois à la puissance haute pression et à la puissance basse pression et sans modification de la puissance totale.

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de gestion des transitions de puissance entre modes de génération
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine de l'hybridation interne des turbomachines d'aéronefs plus électriques voire fortement électrifiés.
Technique antérieure
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s'applique à la fois aux nouveaux types d'aéronefs mais aussi ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en oeuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L'aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d'améliorer de manière très significative les performances environnementales des aéronefs. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l'environnement et dont l'intégration et l'utilisation dans l'aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d'amélioration de l’efficacité énergétique de ces aéronefs.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l'emploi de méthodes et l'exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l’empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de turbomachines d'aéronefs, l'allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l'emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.
L'hybridation turbomachine est réalisée par un système électrique faisant l'interface entre les arbres mécaniques de la turbomachine et le réseau électrique de l'aéronef.
Ce système doit permettre d'assurer les fonctions de démarrage de la turbomachine (HP et/ou BP), la génération de puissance électrique contrôlée pour alimenter les charges propulsives et non propulsives et l'injection ou le prélèvement de puissance maîtrisée sur les arbres de la turbomachine pour l'assister si nécessaire. L'équilibre entre la puissance consommée par les charges et la puissance générée par les sources disponibles est assuré en contrôlant la tension du bus (en fréquence et en amplitude maximale pour la tension AC et en amplitude pour la tension DC), tout en respectant les contraintes du système.
Classiquement, et comme l'illustre la figure 9, les architectures des systèmes d'hybridation interne d'une turbomachine 100 sont basées sur des canaux DC connectés en parallèles, typiquement un canal HP (correspondant à l'arbre haute pression 102 de la turbomachine) et un canal BP (correspondant à son arbre basse pression 104). Ces deux canaux DC sont réalisés chacun par une machine électrique 106, 108, typiquement une machine synchrone à aimants permanents, associée à un convertisseur de puissance réversible commandé AC/DC 110, 112 délivrant une tension continue à une barre DC 114 reliée aux charges 116 à alimenter (propulsives et/ou non propulsives). La commande des convertisseurs de puissance réversibles est assurée classiquement par un module de commande 118 qui reçoit ses ordres du contrôleur de la turbomachine ECU 120 (pour « Electronic Control Unit » en anglais).
Une source externe, typiquement un ensemble de batteries ou de supercondensateurs, associée à un convertisseur réversible DC/DC (l'ensemble étant non illustré) peuvent aussi être connectés en parallèle de ces canaux HP et BP pour fournir de la puissance sur les arbres HP et/ou BP, par exemple lors du démarrage de la turbomachine.
La génération de puissance à partir des arbres HP et BP de la turbomachine a un impact différent sur ses performances (opérabilité) ou sur la poussée qu'elle génère en fonction de l'arbre de prélèvement sollicité. Le contrôleur de la turbomachine a donc notamment pour fonction en cours de mission d'adapter les pourcentages de participation des machines électriques à cette génération de puissance pour optimiser son point de fonctionnement. Pour cela, l'ECU 120 va demander au module de commande 118 de faire un partage des puissances de prélèvement entre les arbres HP et BP pour alimenter les charges 116 du réseau qui ont en général des comportements dynamiques qui peuvent être variables, notamment les charges dites actives.
Comme le montre la figure 10, ce partage des puissances de prélèvements entre les arbres HP et BP demandé par l'ECU peut, sur la durée d'une mission, varier selon plusieurs modes successifs, comme un premier mode de génération dans lequel 60% de la puissance est prélevé sur l'arbre HP et 40% de la puissance est prélevé sur l'arbre BP et un second mode de génération dans lequel 100% de la puissance est prélevé sur l'arbre BP, tel qu'illustré. Toutefois, lors du changement de mode de génération (à tO), du fait de la modification instantanée du rapport des puissances, il se créé des impacts de prélèvement sur chaque arbre de la turbomachine dont les transitoires induisent des perturbations sur la régulation de la turbomachine de nature à entrainer un rejet des perturbations lentes (typiquement <lHz). L'impact sur l'arbre mécanique peut également exciter des modes mécaniques non désirés.
Le document US 20220371532 propose un système électrique comprenant une première machine électrique couplée à une première turbine à gaz et une deuxème machine électrique couplée à une deuxième turbine à gaz.
Exposé de l'invention
A cet effet, l’invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des aéronefs et, en ce sens, contribue à la réduction de l'impact environnemental de ces aéronefs. Pour cela, la présente invention a donc pour but principal de limiter les impacts des prélèvements de puissance lorsqu'il y a un changement de mode de génération, tout en respectant les contraintes de qualité du réseau électrique. Un autre but est de permettre de gérer un éventuel impact de charge pendant ce changement de mode de génération.
Ces buts sont atteints par un procédé de gestion des transitions de puissance entre un premier mode de génération et un second mode de génération dans une turbomachine ayant un arbre haute pression sur lequel est prélevé une puissance haute pression et un arbre basse pression sur lequel est prélevé une puissance basse pression, le premier mode de génération correspondant à un premier partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le second mode de génération correspondant à un second partage de puissance, différent du premier, entre la puissance haute pression et la puissance basse pression, la somme des puissances haute et basse pression prélevées dans chaque mode de génération définissant une même puissance totale, caractérisé en ce que la transition entre le premier mode de génération et le second mode de génération se fait pendant une durée prédéterminée (t2-tl) sans modification de la puissance totale et en appliquant une même fonction de lissage f(t) au prélèvement à la fois de la puissance haute pression et de la puissance basse pression.
Ainsi, en assurant un lissage des consignes de puissance de prélèvement lors de la génération, la régulation de la turbomachine n'est pas perturbée et il n'y a pas à déplorer d'excitation non désirée de modes mécaniques. Le respect de la qualité du réseau électrique est assuré car il n'y a pas de modification de la puissance totale.
De préférence, la fonction de lissage f(t) est une fonction monotone bornée [0 ; 1] continue ou discrète avec f(tl)=O et f(t2) = 1, typiquement une fonction linéaire f(t) = Kt, K étant un facteur de proportionnalité, ou une fonction de premier ordre de type f(t) = 1-exp (-t/tau), tau étant une constante de temps.
Avantageusement, la durée prédéterminée est comprise entre 1 et 10 secondes. De préférence, lorsqu'un impact de charge correspondant à un prélèvement additionnel de puissance survient pendant la transition, ce prélèvement additionnel est effectué au moment de l'impact selon le premier partage de puissance ou selon le second partage de puissance, la fonction de lissage f(t) restant appliquée en amont de ce moment depuis un début de la transition et en aval de ce moment jusqu'à une fin de la transition.
Selon le mode de réalisation envisagé, le prélèvement additionnel de puissance est effectué sur chacun des arbres haute ou basse pression selon le premier partage de puissance et répond à l'équation suivante :
P = (1 - (t)) * P0(t) + (t) * ?i(t), ou encore est effectué sur chacun des arbres haute ou basse pression selon le second partage de puissance et répond à l'équation suivante : puissance demandée dans le premier mode de génération, PI la puissance demandée dans le second mode de génération et tl l'instant du changement de mode.
L'invention concerne également une turbomachine (typiquement une turbomachine aéronautique telle une turbosoufflante hybride, un turbopropulseur hybride ou une turbomachine d'hélicoptère hybride) mettant en oeuvre le procédé précité.
Plus particulièrement, la turbomachine peut comprendre en outre un module d'adaptation configuré pour générer la fonction de lissage et disposé entre un module de commande recevant des consignes de puissance d'un ECU et des convertisseurs de puissance associés aux machines électriques montées sur les arbres haute et basse pression.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 illustre une architecture d'un système d'hybridation interne d'une turbomachine conforme à l'invention, [Fig. 2] la figure 2 montre l'impact de l'invention sur les consignes des puissances de prélèvement,
[Fig. 3] la figure 3 montre un premier exemple de l'allure des consignes des puissances de prélèvement suite à un prélèvement additionnel en phase de transition,
[Fig. 4] la figure 4 illustre un premier exemple d'implantation de la logique de contrôle permettant d'obtenir l'allure des consignes de la figure 3,
[Fig. 5] la figure 5 montre les différentes étapes d'un premier exemple de procédé permettant d'obtenir l'allure des consignes de la figure 3,
[Fig. 6] la figure 6 montre un second exemple de l'allure des consignes des puissances de prélèvement suite à un prélèvement additionnel en phase de transition,
[Fig. 7] la figure 7 illustre un second exemple d'implantation de la logique de contrôle permettant d'obtenir l'allure des consignes de la figure 6,
[Fig. 8] la figure 8 montre les différentes étapes d'un second exemple de procédé permettant d'obtenir l'allure des consignes de la figure 6,
[Fig. 9] la figure 9 montre une architecture d'un système d'hybridation interne d'une turbomachine selon l'art antérieur, et
[Fig. 10] la figure 10 illustre les consignes de prélèvement des puissances associées à l'architecture de l'art antérieur.
Description des modes de réalisation
Le principe de l'invention repose sur la limitation des impacts de prélèvement de puissance sur les arbres haute pression (HP) et/ou basse pression (BP) en cas de changement de mode de génération, en introduisant une fonction de lissage des consignes des puissances de prélèvement tout en garantissant que la puissance totale de prélèvement permette l'alimentation du réseau électrique de la turbomachine et de l'aéronef. Comme l'illustre la figure 1 (les modules identiques à ceux de l'art antérieur sont affectés des mêmes références et ne sont pas à nouveau décrits), cette fonction de lissage f(t) permettant une transition douce entre deux modes de génération est obtenue par l'adjonction d'un module d'adaptation 200 des consignes reçues depuis l'ECU et à destination des machines électriques. Ce module est disposé entre le module de commande 118 et les convertisseurs de puissance 110, 112 associés aux machines électriques 106, 108 montées sur les arbres haute et basse pression 102, 104.
La figure 2 illustre les consignes des puissances de prélèvement pendant la phase de transition (lissage) traduisant le changement de mode de génération, après intégration de la fonction de lissage réalisée par le module d'adaptation 200. On peut y remarquer que le passage du premier mode de génération dans lequel 60% de la puissance est prélevé sur l'arbre HP et 40% de la puissance est prélevé sur l'arbre BP, au second mode de génération dans lequel 100% de la puissance est prélevé sur l'arbre BP, n'est plus immédiate, à un temps donné tO comme dans l'art antérieur, mais s'étale sur une durée plus longue (typiquement compris entre 1 et 10 secondes) entre un temps tl et un temps t2 pendant lequel la puissance prélevée sur chaque arbre va passer progressivement (et non abruptement) de son niveau actuel dans le premier mode de génération à son niveau futur dans le second mode de génération, sans modification de la puissance totale consommée par le réseau électrique.
La fonction de lissage f(t) qui assure cette montée progressive est typiquement une fonction linéaire f(t)=Kt, K étant un facteur de proportionnalité, ou une fonction du premier ordre de type f(t)=l-exp (-t/tau), tau étant une constante de temps. Ces deux types préférentiels de fonction ne sauraient toutefois être considérés comme limitatifs, une fonction du second ordre répondant à la fonction de transfert f(p) = l/(p2/w2 + 2mp/w + 1) dans le domaine de Laplace, m étant un coefficient d'amortissement >= 1, est aussi envisageable de même qu'une application de ces fonctions de premier et second ordres à la fonction linéaire précitée. De façon plus générale, toute fonction monotone bornée [0 ; 1] continue ou discrète avec f(tl)=O et f(t2) = 1 peut convenir. Comme évoqué précédemment, cette phase de transition n'étant plus immédiate, il doit être envisagé le cas où une demande de prélèvement de puissance parvient pendant cette phase transitoire où le régime permanent n'a pas encore été atteint.
Selon l'invention, deux solutions de partage sont examinées. La première illustrée aux figures 3 à 5 dans laquelle la différence de demande de puissance est traitée de la même manière que la demande de puissance initiale, c'est-à-dire au prorata des deux modes en fonction de la fonction de partage alors que la seconde illustrée aux figures 6 à 8, la différence de demande de puissance utilise le second mode de génération. On notera que s'il n'y a pas d'évolution de la demande pendant la transition, les deux alternatives sont équivalentes.
Dans la première solution, il s'agit donc, quand il y a un impact de charge qui s'opère pendant la transition, de continuer à appliquer le partage de puissance de prélèvement qui était défini.
La figure 3 montre l'allure des consignes de puissance obtenues avec ce partage initial. Par exemple, si pour délivrer une puissance totale PO, le partage initial de puissance est de 60% sur l'arbre HP et de 40% sur l'arbre BP et qu'on veuille passer à 0% sur l'arbre HP et 100% sur l'arbre BP et si pendant la phase de transition entre le temps tl et le temps t2, il y a à un temps ti une modification des demandes en puissance des consommateurs, par exemple une demande additionnelle de 50% pour arriver à une puissance totale PI comme illustré, alors dans ce cas, la nouvelle demande en puissance des consommateurs sera prélevée à hauteur de 60% sur l'arbre HP et de 40% sur l'arbre BP au point d'application du changement de prélèvement.
Cette solution se traduit mathématiquement par les équations suivantes :
Avec PO la puissance demandée dans le premier mode de génération (respectivement sur l'arbre HP ou l'arbre BP) et PI la puissance demandée dans le second mode de génération (respectivement sur l'arbre HP ou l'arbre BP). La figure 4 illustre la logique de contrôle mise en oeuvre dans le module d'adaptation pour répondre à cette équation. Elle est organisée classiquement autour de différents blocs fonctionnels qui vont élaborer la consigne courante (setpoint) à partir du mode de génération sélectionné (Mode) et de l'évolution de la consigne (setpoint vect) : un bloc 300 de détection de changement de mode, un bloc d'inhibition de la transition 302, un bloc de stockage des ancien et nouveau modes 304, un bloc de génération de l'ancienne consigne de puissance 306, un bloc de génération de la nouvelle consigne de puissance 308, un bloc de génération de la transition 310 et un bloc de fusion des ancienne et nouvelle consignes de puissance 312.
Les différentes étapes permettant le passage du premier au second mode de génération est maintenant illustré à la figure 5. Dans une première étape 400, la consigne de puissance sur l'arbre HP est à Xi% (par exemple 60%) de la puissance consommée et celle sur l'arbre BP à yi% (par exemple 40%) de cette puissance consommée, définissant une puissance demandée dans le premier mode de génération PO. Dans une étape suivante 402, au temps tl, une demande de changement de mode de génération dans le rapport des puissances est détectée et la transition est alors engagée en application de la fonction de lissage f(t) dans une nouvelle étape 404. Dans une étape suivante 406, au temps ti, un impact de charge AP (PI-PO) est constaté du fait d'une demande additionnelle pour porter la puissance à la puissance demandée dans le second mode de génération PI et cet impact de charge est immédiatement répercuté sur les puissances haute et basse pression selon le partage de puissance initial. Dans l'étape suivante 408, la dynamique de la transition est reprise sur la base de la fonction de lissage jusqu'à la fin de la transition au temps t2 et l'obtention du régime permanent à la puissance PI dans un rapport de puissance à x2% pour la haute pression et y2% pour la basse pression dans une étape finale 410.
Dans la seconde solution, il s'agit, quand il y a un impact de charge qui s'opère pendant la transition (c'est-à-dire un changement de consigne de prélèvement), d'appliquer le partage des puissances de prélèvement que l'on veut atteindre suite au changement de mode de génération souhaité. La figure 6 montre l'allure des consignes de puissance obtenues avec ce partage final. Par exemple, si pour délivrer une puissance totale PO, le partage initial de puissance est de 60% sur l'arbre HP et de 40% sur l'arbre BP et qu'on veuille passer à 0% sur l'arbre HP et à 100% sur l'arbre BP et si pendant la phase de transition, entre le temps tl et le temps t2, il y a à un temps ti une modification des demandes en puissance des consommateurs, par exemple une demande additionnelle de 50% pour arriver à une puissance totale PI comme illustré, alors dans ce cas, la nouvelle demande en puissance des consommateurs sera prélevée à hauteur de 0% sur l'arbre HP et de 100% sur l'arbre BP jusqu'à atteindre le régime permanent.
Cette solution se traduit mathématiquement par les équations suivantes :
Avec PO la puissance demandée dans le premier mode de génération (respectivement sur l'arbre HP ou l'arbre BP), PI la puissance demandée dans le second mode de génération (respectivement sur l'arbre HP ou l'arbre BP) et tl l'instant du changement de mode.
La figure 7 illustre la logique de contrôle mise en oeuvre dans le module d'adaptation pour répondre à cette équation. Elle est organisée classiquement autour de différents blocs fonctionnels qui vont élaborer la consigne courante (setpoint) à partir du mode de génération sélectionné (Mode) et de l'évolution de la consigne (setpoint vect) : le bloc 300 de détection de changement de mode, le bloc d'inhibition de la transition 302, le bloc de génération de l'ancienne consigne de puissance 306, le bloc de génération de la nouvelle consigne de puissance 308, le bloc de génération de la transition 310 et le bloc de fusion des ancienne et nouvelle consignes de puissance 312.
Les différentes étapes permettant le passage du premier au second mode de génération est maintenant illustré à la figure 8. Dans la première étape 400, la consigne de puissance sur l'arbre HP est à Xi% (par exemple 60%) de la puissance consommée et celle sur l'arbre BP à yi% (par exemple 40%) de cette puissance consommée, définissant une puissance demandée PO. Dans l'étape suivante 402, au temps tl, une demande de changement de mode de génération dans le rapport des puissances est détectée et la phase de transition est alors engagée en application de la fonction de lissage f(t), dans l'étape suivante 404. A l'étape 406, au temps ti, un impact de charge AP (P1-P0) est constaté du fait d'une demande additionnelle pour porter la puissance totale à la puissance demandée dans le second mode de génération PI et cet impact de charge est immédiatement répercuté sur les puissances haute et basse pression selon le partage de puissance final. Dans l'étape suivante 412, la dynamique de la transition est reprise sur la base de la fonction de lissage jusqu'à la fin de la transition au temps t2 et l'obtention du régime permanent à la puissance demandée PI dans un rapport de puissance à x2% pour la haute pression et y2% pour la basse pression dans l'étape finale 410.
On notera que l'invention trouve application à l'hybridation interne de turbomachine quel que soit le nombre de machines électriques montées sur le système propulsif et le type de turbomachine, comme une turbosoufflante hybride, un turbopropulseur hybride ou une turbomachine d'hélicoptère hybride.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de gestion des transitions de puissance entre un premier mode de génération et un second mode de génération dans une turbomachine (100) ayant un arbre haute pression (102) sur lequel est prélevé une puissance haute pression (HP) et un arbre basse pression (104) sur lequel est prélevé une puissance basse pression (BP), le premier mode de génération correspondant à un premier partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et le second mode de génération correspondant à un second partage de puissance, différent du premier, entre la puissance haute pression et la puissance basse pression, la somme des puissances haute et basse pression prélevées dans chaque mode de génération définissant une même puissance totale, caractérisé en ce que la transition entre le premier mode de génération et le second mode de génération se fait pendant une durée prédéterminée (t2-tl) sans modification de la puissance totale et en appliquant une même fonction de lissage f(t) au prélèvement à la fois de la puissance haute pression et de la puissance basse pression.
[Revendication 2] Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 1, dans lequel la fonction de lissage f(t) est une fonction monotone bornée [0 ; 1] continue ou discrète avec f(tl)=O et f(t2) = 1.
[Revendication 3] Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 2, dans lequel la fonction de lissage f(t) est une fonction linéaire f(t) = Kt, K étant un facteur de proportionnalité, ou une fonction de premier ordre de type f(t) = 1-exp (-t/tau), tau étant une constante de temps.
[Revendication 4] Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 1, dans lequel la durée prédéterminée (t2-tl) est comprise entre 1 et 10 secondes.
[Revendication 5] Procédé de gestion des transitions de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lorsqu'un impact de charge correspondant à un prélèvement additionnel de puissance (P) survient pendant la transition, ce prélèvement additionnel est effectué au moment de l'impact (ti) selon le premier partage de puissance ou selon le second partage de puissance, la fonction de lissage f(t) restant appliquée en amont de ce moment depuis un début (tl) de la transition et en aval de ce moment jusqu'à une fin (t2) de la transition.
[Revendication 6] Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 5, dans lequel le prélèvement additionnel de puissance P effectué sur chacun des arbres haute ou basse pression selon le premier partage de puissance répond à l'équation suivante :
P = (1 - (t)) * P0(t) + (t) * P (t) avec PO la puissance demandée dans le premier mode de génération et PI la puissance demandée dans le second mode de génération.
[Revendication 7] Procédé de gestion des transitions de puissance selon la revendication 5, dans lequel le prélèvement additionnel de puissance P effectué sur chacun des arbres haute et basse pression selon le second partage de puissance répond à l'équation suivante : puissance demandée dans le premier mode de génération, PI la puissance demandée dans le second mode de génération et tl l'instant du changement de mode.
[Revendication 8] Turbomachine (100) ayant un arbre haute pression (102) sur lequel est prélevé une puissance haute pression (HP) et un arbre basse pression (104) sur lequel est prélevé une puissance basse pression (BP), un premier mode de génération correspondant à un premier partage de puissance entre la puissance haute pression et la puissance basse pression et un second mode de génération correspondant à un second partage de puissance, différent du premier, entre la puissance haute pression et la puissance basse pression, la somme des puissances haute et basse pression prélevées dans chaque mode de génération définissant une même puissance totale, caractérisée en ce que la transition entre le premier mode de génération et le second mode de génération se fait pendant une durée prédéterminée (t2-tl) sans modification de la puissance totale et en appliquant une même fonction de lissage f(t) au prélèvement à la fois de la puissance haute pression et de la puissance basse pression.
[Revendication 9] Turbomachine selon la revendication 8, comprenant en outre un module d'adaptation (200) configuré pour générer la fonction de lissage f(t) et disposé entre un module de commande (118) recevant des consignes de puissance d'un ECU (120) et des convertisseurs de puissance (110, 112) associés aux machines électriques (106, 108) montées sur les arbres haute et basse pression.
[Revendication 10] Turbomachine selon la revendication 9, constituée en turbomachine aéronautique telle une turbosoufflante hybride, un turbopropulseur hybride ou une turbomachine d'hélicoptère hybride.
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