ES2950841T3 - Regulación antipompaje de un compresor de carga instalado en un grupo auxiliar de potencia - Google Patents
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Abstract
La invención se encuadra en el contexto de la regulación de un compresor de carga con el que está equipada una unidad de potencia auxiliar de aeronave. Se refiere a un método para determinar un parámetro de sobretensión indicativo de un riesgo de que el compresor de carga presente el fenómeno conocido como sobretensión. La invención también se refiere a un método y un sistema para controlar una válvula de alivio de este compresor de carga. Según la invención, el método para determinar un parámetro de sobretensión incluye calcular (102) este parámetro de sobretensión Ppomp como la suma de un primer término T1 y de un segundo término T2, calculándose el primer término T1 sobre la base de una primera presión. P1 medida aguas abajo de un difusor del compresor de carga, y de una segunda presión P2 medida aguas arriba del difusor, calculándose el segundo término T2 en base a una tercera presión P3 medida aguas arriba del difusor y de una presión ambiente Psamb indicativa de una presión del entorno ambiental que rodea la unidad de energía auxiliar. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Regulación antipompaje de un compresor de carga instalado en un grupo auxiliar de potencia
Campo técnico
La invención se sitúa en el campo de la regulación de un compresor de carga instalado en un grupo auxiliar de potencia de una aeronave. Su objetivo es evitar el fenómeno de pompaje en el compresor, en particular en caso de cierre de la válvula que controla la alimentación de aire al sistema de control climático de la aeronave. La invención hace referencia a un método de determinación de un parámetro de pompaje representativo del riesgo de fenómenos de pompaje en un compresor de carga de un grupo auxiliar de potencia, así como a un método y un sistema de control de una válvula de descarga de este compresor de carga.
Estado anterior de la técnica
Una aeronave se equipa generalmente con motores principales y de un grupo auxiliar de potencia. Los motores principales se dedican a la propulsión y, en régimen de crucero, a la producción de energía para los distintos equipos de a bordo. El grupo auxiliar de potencia, denominado (APU) "Auxiliary Power Unit" en inglés, es un dispositivo que suministra distintos tipos de energía (eléctrica, hidráulica, neumática, mecánica) que permiten alimentar los equipos de a bordo, especialmente cuando los motores principales están parados. Un grupo auxiliar de potencia comprende normalmente un turbomotor y un compresor de carga accionado mecánicamente por el turbomotor con el fin de alimentar con aire comprimido un sistema de control climático de la aeronave. Este sistema de control climático, conocido como (ECS) "Environmental Control System" en inglés, comprende una válvula ajustable denominada "válvula de la aeronave" o "válvula ECS" que permite controlar el caudal de aire comprimido procedente del compresor de carga. La válvula ECS puede estar completamente cerrada cuando el sistema de control climático se alimenta por los motores principales. En las situaciones en las que la demanda de aire comprimido es relativamente baja, o incluso nula, es probable que el compresor de carga se someta a un fenómeno de pompaje que podría dañarlo. Para limitar este riesgo, el caudal de aire a la entrada del compresor de carga se puede regular mediante trampillas de entrada de aire, denominadas (IGV) "Inlet Guide Vanes" en inglés. Cuando la demanda de aire comprimido es baja, en particular cuando la válvula ECS está totalmente cerrada, las trampillas IGV también se pueden colocar en posición semicerrada o cerrada. Sin embargo, el tiempo de respuesta de las trampillas IGV es relativamente lento en comparación con el de la válvula ECS, por lo que siempre existe un riesgo de que el fenómeno de pompaje se produzca de forma transitoria. Además, las trampillas IGV generalmente no permiten detener por completo el flujo de aire que entra en el compresor de carga. En consecuencia, el fenómeno de pompaje prosigue en caso de cierre total de la válvula ECS.
El pompaje del compresor de carga se puede evitar instalando el grupo auxiliar con una válvula de descarga dispuesta aguas abajo del compresor de carga y controlada en función del fenómeno de pompaje o en función de este riesgo. Naturalmente, la válvula de descarga se puede controlar en posición abierta en cuanto se cierra la válvula ECS. Sin embargo, cuando la válvula ECS sólo está parcialmente cerrada, es difícil identificar a priori las situaciones en las que es probable que se produzca el fenómeno de pompaje. Por lo tanto, es necesario identificar estas situaciones de forma fiable.
Una primera solución para identificar un riesgo de pompaje consiste en determinar los parámetros del fluido aguas arriba y aguas abajo del compresor de carga, en particular su presión total, su temperatura y su caudal. Esta solución es perfectamente fiable en teoría, pero tiene el inconveniente de depender de la utilización de un gran número de sensores. Estos sensores son caros y propensos a averías, lo que hace que la solución no sea fiable en la práctica. Además, los sensores de caudal son difíciles de integrar en el compresor de carga.
Una segunda solución para identificar un riesgo de pompaje del compresor de carga consiste en determinar un parámetro de pompaje Ppomp definido por la relación entre una presión total Pt1300 a la salida del compresor de carga y una presión estática Ps1270i aguas arriba del difusor del compresor de carga, de acuerdo con la relación:
Sin embargo, la relación entre este parámetro de pompaje Ppomp y el caudal a la salida del compresor de carga no es biyectiva. Para un mismo criterio de pompaje, son posibles dos valores de caudal. La determinación del caudal a la salida del compresor de carga requiere la determinación de parámetros adicionales. En particular, es posible utilizar el grado de apertura de las trampillas IGV y un parámetro B calculado a partir de la presión estática Ps1270i, la presión estática ambiente Psamb, la temperatura ambiente Tamb y la temperatura T1300 a la salida del compresor de carga:
Por tanto, el cálculo del parámetro B implica medir una presión suplementaria Psamb y dos temperaturas Tamb y T1300. Por lo tanto, la segunda solución presenta los mismos inconvenientes que la primera.
En el documento US 2007/248453 A1 se describe aun otra solución.
En vista de lo anterior, el objetivo de la invención es proporcionar una solución para identificar de forma fiable y económica un riesgo de fenómenos de pompaje en un compresor de carga instalado en el grupo auxiliar de potencia de una aeronave. En particular, la invención pretende limitar el número de parámetros a medir para determinar este riesgo de pompaje. La invención tiene también por objetivo establecer una relación biyectiva entre un parámetro de pompaje que cuantifica el riesgo de pompaje y un caudal a la salida del compresor de carga. Otro objetivo de la invención es proporcionar un método y un dispositivo cuyos costes de diseño, fabricación y mantenimiento sean compatibles con una utilización a escala industrial.
Presentación de la invención
Para ello, la invención se basa en una selección juiciosa de los parámetros que se deben medir, lo que permite determinar un parámetro de pompaje con la ayuda de una relación que limite el número de estos parámetros. Los parámetros seleccionados también permiten establecer una relación biyectiva entre el parámetro de pompaje y el caudal del compresor de carga.
Más concretamente, la invención tiene por objetivo un método para determinar un parámetro de pompaje Ppomp representativo de un riesgo de fenómenos de pompaje en un compresor de carga instalado en un grupo auxiliar de potencia para una aeronave. El compresor de carga comprende un difusor y una voluta dispuesta aguas abajo del difusor. El método de acuerdo con la invención comprende calcular el parámetro de pompaje Ppomp como la suma de un primer término T1 y un segundo término T2. El primer término T1 se calcula a partir de una primera presión P1 medida aguas abajo del difusor y de una segunda presión P2 medida aguas arriba del difusor; el segundo término T2 se calcula a partir de una tercera presión P3 medida aguas arriba del difusor y de una presión ambiente Psamb que representa una presión del entorno del grupo auxiliar de potencia (APU).
El parámetro de pompaje Ppomp se calcula de este modo a partir de cuatro presiones, o de tres cuando las presiones P2 y P3 sean idénticas. No es necesario medir la temperatura ni el caudal.
El compresor de carga puede ser, en particular, un compresor radial. El difusor es entonces un difusor radial.
La primera presión P1 es, por ejemplo, una presión total Pt1300 aguas arriba de la voluta, una presión total Pt1800 aguas abajo de la voluta, una presión estática Ps1300 aguas arriba de la voluta o una presión estática Ps1800 aguas abajo de la voluta. La presión total Pt1300 y la presión estática Ps1300 se miden entonces en la interfaz entre el difusor y la voluta. La colocación del sensor de presión, aguas arriba o aguas abajo de la voluta, se elige en función de la pendiente de la curva que representa el primer término T1, y de las posibilidades de integración de este sensor en el compresor de carga.
La segunda presión P2 y/o la tercera presión P3 son, por ejemplo, una presión estática aguas arriba del difusor. Preferiblemente, la presión P3 es una presión estática Ps1270i medida al nivel del borde de ataque entre álabes del difusor. En otras palabras, la presión estática Ps1270i es una presión estática medida entre los álabes del difusor en su borde de ataque. Ventajosamente, la presión P3 se determina como media de las presiones medidas entre los diferentes pares de álabes del difusor en su borde de ataque.
La presión ambiente Psamb es, por ejemplo, una presión estática en el entorno que rodea al grupo auxiliar de potencia.
De acuerdo con una primera forma de realización, el primer término T1 se calcula mediante la siguiente ecuación:
El primer término T1 se puede calcular, en particular, con la ayuda de la siguiente ecuación:
En una segunda forma de realización, el segundo término T2 se calcula con la ayuda de la siguiente ecuación:
En particular, cuando la presión P3 es la presión estática Ps1270i, el segundo término T2 se convierte en:
La primera y segunda formas de realización son compatibles y dan la siguiente relación para determinar el parámetro de pompaje Ppomp:
La invención también tiene por objetivo un método de control de una válvula de descarga para un compresor de carga instalado en un grupo auxiliar de potencia para una aeronave, comprendiendo el compresor de carga un difusor y una voluta dispuesta aguas abajo del difusor, estando dispuesta la válvula de descarga aguas abajo de la voluta. De acuerdo con la invención, el método de control comprende:
- la determinación de parámetro de pompaje Ppomp de acuerdo con el método de determinación descrito anteriormente,
- una comparación del parámetro de pompaje Ppomp determinado por el método de determinación con un umbral de descarga predeterminado, y
- una apertura de la válvula de descarga cuando el parámetro de la bomba Ppomp sea inferior al umbral de descarga o cuando el parámetro de pompaje Ppomp sea superior al umbral de descarga.
Cuando se define el parámetro de pompaje Ppomp para las formas de realización primera y segunda, la válvula de descarga se abre cuando el parámetro de pompaje Ppomp es mayor que el umbral de descarga.
La invención también tiene por objetivo un dispositivo para controlar una válvula de descarga para un compresor de carga instalado en un grupo auxiliar de potencia para una aeronave, comprendiendo el compresor de carga un difusor y una voluta dispuesta aguas abajo del difusor, y estando dispuesta la válvula de descarga aguas abajo de la voluta. De acuerdo con la invención, el dispositivo de control comprende una unidad de tratamiento dispuesta para determinar el parámetro de pompaje Ppomp de acuerdo con el método de determinación descrito anteriormente, para comparar dicho parámetro de pompaje Ppomp con un umbral de descarga predeterminado y para controlar la apertura de la válvula de descarga cuando el parámetro de pompaje Ppomp sea menor que el umbral de descarga o cuando el parámetro de pompaje Ppomp sea mayor que el umbral de descarga.
Por último, la invención tiene por objetivo un grupo auxiliar de potencia para una aeronave, comprendiendo el grupo auxiliar de potencia un compresor de carga, una válvula de descarga y un dispositivo para controlar la válvula de descarga tal como se ha descrito anteriormente. El compresor de carga comprende un difusor y una voluta dispuesta aguas abajo del difusor, y estando dispuesta la válvula de descarga aguas abajo de la voluta.
Breve descripción de los dibujos
Otras características, detalles y ventajas de la invención resultarán evidentes con la lectura de la siguiente descripción, que se da únicamente a modo de ejemplo y se hace con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 muestra un ejemplo de un grupo auxiliar de potencia que comprende una válvula de descarga para un compresor de carga y una unidad de tratamiento dispuesta para controlar la válvula de descarga de acuerdo con el método de control de acuerdo con la invención;
- la figura 2 muestra de forma esquemática un compresor de carga del grupo auxiliar de potencia de la figura 1;
- la figura 3 muestra un ejemplo de método de control de la válvula le descarga de acuerdo con la invención.
Descripción detallada
La figura 1 muestra esquemáticamente un ejemplo de un grupo auxiliar de potencia 1 que se puede instalar en una aeronave. El grupo auxiliar de potencia 1, denominado (APU), "Auxiliary Power Unit" en inglés, comprende un generador de gas 10 y un sistema de suministro de aire comprimido 20. El generador de gas 10 tiene un compresor principal 11, una cámara de combustión 12, una turbina 13, una tobera 14, un árbol de potencia 15, una tubería de alimentación de aire 16, una tubería de aire comprimido 17, una tubería de gases de escape 18 y una tubería de expulsión 19. El compresor principal 11 es alimentado con aire a través de la tubería de suministro de aire 16 y suministra aire comprimido a la cámara de combustión 12 a través de la tubería de aire comprimido 17. El aire comprimido se mezcla con el combustible en la cámara de combustión 12. La combustión de esta mezcla genera gases de alta energía que se conducen a la turbina 13 a través de la tubería de gases de escape 18. El paso de estos gases por la turbina 13 provoca su rotación. El árbol de transmisión 15 conecta mecánicamente la turbina 13 con el compresor principal 11, de modo que el compresor principal 11 también es accionado en rotación. Después de su paso por la turbina 13, los gases de escape se expulsan del grupo auxiliar de potencia 1 a través de la tubería de expulsión 19 y la tobera 14.
El sistema de suministro de aire comprimido 20 consta de un compresor de carga 21, unas trampillas de entrada de aire 22, una unidad de tratamiento 23, una válvula de descarga 24, una tubería de entrada de aire 25, una tubería de salida de aire 26, un primer sensor de presión 27, un segundo sensor de presión 28 y un tercer sensor de presión 29. La figura 2 muestra de forma esquemática el compresor de carga 21. El compresor de carga 21 es un compresor radial. Se alimenta con aire procedente de la tubería de alimentación de aire 16 a través de la tubería de entrada de aire 25. Las trampillas de entrada de aire 22 se colocan en la tubería de entrada de aire 25, para regular el caudal de aire que llega a la entrada del compresor de carga 21 sin interferir en el caudal de aire que llega al compresor principal 11. Las trampillas de entrada de aire 22 también se denominan "IGV". El compresor de carga 21 comprende un impulsor 211, un difusor 212 y una voluta 213. El impulsor 211 se conecta mecánicamente al árbol de transmisión 15 con el fin de que sea accionado en rotación con el compresor principal 11 y la turbina 13. La voluta 213 se dispone aguas abajo del difusor 212 y se conecta a una entrada de la tubería de salida de aire 26. La tubería de salida de aire 26 también se conecta en la salida a la válvula de descarga 24 y a un sistema de control climático 30. En el ejemplo de forma de realización mostrado en la figura 1, el primer sensor de presión 27 mide la presión total Pt1300 en la interfaz entre el difusor 212 y la voluta 213 del compresor de carga 21. El segundo sensor de presión 28 mide la presión estática Ps1270i aguas arriba del difusor 212. El tercer sensor de presión 29 mide la presión estática Psamb del entorno del grupo auxiliar de potencia 1. De acuerdo con otras formas de realización, los sensores de presión 27, 28, 29 pueden medir otras presiones. En particular, el sensor de presión 27 podría medir la presión estática Ps1300 en la interfaz entre el difusor 212 y la voluta 213 del compresor de carga 21, o la presión total Pt1800 o la presión estática Ps 1800 aguas abajo de la voluta 213. El sensor de presión 29 podría medir la presión total Ptamb del entorno. La unidad de tratamiento 23 comprende un procesador, por ejemplo. Se dispone para recibir las mediciones de los sensores de presión 27, 28 y 29, determinar un parámetro de pompaje Ppomp a partir de estas mediciones, y controlar la apertura de la válvula de descarga 24 en función de este parámetro de pompaje Ppomp y un umbral de descarga predeterminado Thdis, según se describe a continuación. La unidad de tratamiento 23 también se puede disponer para que controle las trampillas de entrada de aire 22, por ejemplo, en función de una o más mediciones de los sensores de presión 27, 28, 29 y/u otras mediciones.
El sistema de control climático 30 se diseña para regular la presión del aire en el interior de la cabina de la aeronave. En particular, comprende una válvula 31, denominada válvula ECS, que permite regular el caudal de aire a la entrada del sistema de control climático. En particular, la válvula ECS 31 se puede colocar en posición cerrada cuando los motores principales suministran aire comprimido al sistema de control climático 30.
La figura 3 muestra un ejemplo de método de control de la válvula de descarga 24. El método de control 100 comprende una etapa 101 para medir tres presiones de control, en concreto, la presión total Pt1300 aguas arriba de la voluta 213, la presión estática Ps1270i aguas arriba del difusor 212 y la presión estática Psamb del entorno del grupo auxiliar de potencia. En una etapa 102, el parámetro de pompaje Ppomp se calcula a partir de estas presiones de control:
Acto seguido, el método comprende una etapa 103 de comparación de este parámetro de pompaje Ppomp con un umbral de descarga predeterminado Thdis. Este umbral de descarga Thdis puede ser constante cualquiera que sea la velocidad del generador de gas 10 y la posición de apertura de las IGV. Si el parámetro de pompaje Ppomp es inferior o igual al umbral de descarga Thdis, el método 100 se reanuda con la etapa 101 para medir las presiones de control para crear un bucle de vigilancia. Si, por el contrario, el parámetro de pompaje calculado en la etapa 102 es mayor que el umbral de descarga Thdis, el método pasa a la etapa 104 de apertura de la válvula de descarga 24. Durante esta etapa 104, la válvula de descarga 24 se abre con el fin de reducir la presión a la salida del compresor de carga 21 y evitar de este modo los fenómenos de pompaje. La válvula de descarga 24 se puede abrir total o parcialmente.
El método de control de la válvula de descarga de acuerdo con la invención permite de este modo evitar que el compresor de carga entre en un fenómeno de pompaje controlando este riesgo de pompaje con la ayuda de un número limitado de parámetros medidos.
Claims (9)
1. Método de determinación de un parámetro de pompaje representativo de un riesgo de fenómenos de pompaje en un compresor de carga (21) instalado en un grupo auxiliar de potencia (1) para una aeronave, comprendiendo el compresor de carga (21) un difusor (212) y una voluta (213) dispuesta aguas abajo del difusor, comprendiendo el método el cálculo (102) del parámetro de pompaje Ppomp como la suma de un primer término T1 y un segundo término T2 , calculándose el primer término T1 a partir de una primera presión P1 medida aguas abajo del difusor (212) y una segunda presión P2 medida aguas arriba del difusor, calculándose el segundo término T2 a partir de una tercera presión P3 medida aguas arriba del difusor (212) y de una presión ambiente Psamb que representa una presión del entorno del grupo auxiliar de potencia.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la primera presión P1 es una presión total Pt1300 aguas arriba de la voluta (213), una presión total Pt1800 aguas abajo de la voluta (213), una presión estática Ps1300 aguas arriba de la voluta (213) o una presión estática Ps1800 aguas abajo de la voluta (213).
3. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 y 2, en el que la segunda presión P2 y/o la tercera presión P3 son una presión estática Ps1270i aguas arriba del difusor medida entre los álabes del difusor en su borde de ataque.
4. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que la presión ambiente Psamb es una presión estática del entorno del grupo auxiliar de potencia.
5. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que el segundo término T1 se calcula mediante la siguiente ecuación:
6. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que el segundo término T2 se calcula mediante la siguiente ecuación:
7. Método de control de una válvula de descarga (24) para un compresor de carga (21) instalado en un grupo auxiliar de potencia (1) para una aeronave, comprendiendo el compresor de carga (21) un difusor (212) y una voluta (213) dispuesta aguas abajo del difusor, estando dispuesta la válvula de descarga (24) aguas abajo de la voluta (213), comprendiendo el método de control (100):
- el cálculo (102) del parámetro de pompaje Ppomp de acuerdo con el método de determinación de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes,
- una comparación (103) del parámetro de pompaje Ppomp determinado por el método de determinación con un umbral de descarga predeterminado Thdis y
- una apertura (104) de la válvula de descarga (24) cuando el parámetro de pompaje Ppomp sea inferior al umbral de descarga Thdis o cuando el parámetro de pompaje Ppomp sea superior al umbral de descarga Thdis.
8. Dispositivo de control de una válvula de descarga (24) de un compresor de carga (21) instalado en un grupo auxiliar de potencia (1) de una aeronave, comprendiendo el compresor de carga (21) un difusor (212) y una voluta (213) dispuesta aguas abajo del difusor, estando dispuesta la válvula de descarga (24) aguas abajo de la voluta (213), comprendiendo el dispositivo de control una unidad de tratamiento (23) dispuesta para determinar el parámetro de pompaje Ppomp de acuerdo con el método de determinación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, para comparar dicho parámetro de pompaje Ppomp con un umbral de descarga predeterminado Thdis y para controlar la apertura de la válvula de descarga (24) cuando el parámetro de pompaje Ppomp sea menor que el umbral de descarga Thdis o cuando el parámetro de pompaje Ppomp sea mayor que el umbral de descarga Thdis.
9. Grupo auxiliar de potencia para una aeronave, comprendiendo el grupo auxiliar de potencia (1) un compresor de carga (21), una válvula de descarga (24) y un dispositivo de control la válvula de descarga de acuerdo con la reivindicación 8, comprendiendo el compresor de carga (21) un difusor (212) y una voluta (213) dispuesta aguas abajo del difusor, y estando dispuesta la válvula de descarga (24) aguas abajo de la voluta (213).
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