FR2971291A1 - Unite de commande et procede de pilotage de jeu en sommet d'aubes - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le pilotage d'un jeu entre, d'une part, des sommets d'aubes d'un rotor de turbine d'un moteur d'avion à turbine à gaz et, d'autre part, un anneau de turbine d'un carter entourant les aubes. Selon l'invention, on commande une vanne pour agir sur un débit et/ou une température d'air dirigé vers le carter. L'invention est remarquable en ce que ladite vanne est une vanne de type tout-ou-rien apte à commuter entre un état ouvert et un état fermé en un temps de réaction déterminé, le module de commande de la vanne comprenant un correcteur (4) apte à déterminer un premier signal de commande (C) binaire pouvant prendre une première valeur correspondant à un état ouvert de la vanne et une deuxième valeur correspondant à un état fermé de la vanne. Ce correcteur (4) inclue un module de temporisation (7) apte à déterminer un signal de commande (C3) binaire, la durée entre deux commutations successives du signal de commande (C3) étant au moins égale au temps de réaction de la vanne (44).

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des turbomachines pour moteurs aéronautiques à turbine à gaz. Elle vise plus précisément le pilotage du jeu entre, d'une part, les sommets d'aubes mobiles d'un rotor de turbine et, d'autre part, un anneau de turbine d'un carter externe entourant les aubes. 10 Le jeu existant entre le sommet des aubes d'une turbine et l'anneau qui les entoure est dépendant des différences de variations dimensionnelles entre les parties tournantes (disque et aubes formant le rotor de turbine) et les parties fixes (carter externe dont l'anneau de turbine qu'il comprend). Ces variations dimensionnelles sont à la fois 15 d'origine thermique (liées aux variations de température des aubes, du disque et du carter) et d'origine mécanique (notamment liées à l'effet de la force de centrifuge s'exerçant sur le rotor de turbine). Pour augmenter la performance d'une turbine, il est souhaitable de minimiser le jeu autant que possible. D'autre part, lors d'une 20 augmentation de régime, par exemple lors du passage d'un régime de ralenti au sol à un régime de décollage dans une turbomachine pour moteur aéronautique, la force de centrifuge s'exerçant sur le rotor de turbine tend à rapprocher les sommets d'aubes de l'anneau de turbine avant que l'anneau de turbine n'aie eu le temps de se dilater sous l'effet 25 de l'augmentation de température liée à l'augmentation de régime. Il existe donc un risque de contact en ce point de fonctionnement appelé point de pincement. Il est connu de recourir à un système de pilotage actif pour piloter le jeu de sommet d'aubes d'une turbine de turbomachine. Un 30 système de ce type fonctionne généralement en dirigeant sur la surface externe de l'anneau de turbine de l'air prélevé par exemple au niveau d'un compresseur et/ou de la soufflante de la turbomachine. De l'air frais envoyé sur la surface eterne de l'anneau de turbine a pour effet de refroidir ce dernier et ainsi de limiter sa dilatation thermique. Le jeu est 35 donc minimisé. Inversement, de l'air chaud favorise la dilatation thermique de l'anneau de turbine, ce qui augmente le jeu et permet par exemple d'éviter un contact au point de pincement précité. Un tel pilotage actif est contrôlé par une unité de commande, par exemple par le système de régulation pleine autorité (ou FADEC) de la turbomachine. Typiquement, l'unité de commande agit sur une vanne à position régulée pour commander le débit et/ou la température de l'air dirigé sur l'anneau de turbine, en fonction d'une consigne de jeu et d'une estimation du jeu de sommet d'aubes réel. L'utilisation d'une vanne à position régulée présente toutefois 10 des inconvénients, notamment en termes de coût, d'encombrement et de poids. De plus, de la puissance en continu est nécessaire pour la commande.

Objet et résumé de l'invention 15 La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients. Ce but est atteint grâce à une unité de commande pour le pilotage d'un jeu entre, d'une part, des sommets d'aubes d'un rotor de turbine d'un moteur d'avion à turbine à gaz et, d'autre part, un anneau de 20 turbine d'un carter entourant les aubes, l'unité de commande comprenant un module de commande d'une vanne pour agir sur un débit et/ou une température d'air dirigé vers le carter, caractérisé en ce que ladite vanne est une vanne de type tout-ou-rien apte à commuter entre un état ouvert et un état fermé en un temps de réaction déterminé, 25 ledit module de commande comprenant un correcteur apte à déterminer un premier signal de commande binaire pouvant prendre une première valeur correspondant à un état ouvert de la vanne et une deuxième valeur correspondant à un état fermé de la vanne, ledit correcteur incluant : Un module de détermination d'une grandeur de correction 30 en fonction d'une consigne de jeu et d'une estimation du jeu, Un module de commutation apte à déterminer un deuxième signal e commande binaire en fonction de la grandeur de correction, e 35 tin module de timpcir ii,ritinn opte à déterminer un tiols1cime 11,11 ul HU( LIU, de commande, la durée entre deux commutations successives du troisième signal de commande étant au moins égale au temps de réaction de la vanne, ledit premier signal de commande étant déterminé en fonction dudit 5 troisième signal de commande. L'invention permet donc l'utilisation d'une vanne de type toutou-rien commandée par le premier signal de commande. L'utilisation d'une telle vanne est avantageuse, notamment en termes de coût, d'encombrement, de fiabilité et de puissance nécessaire pour la 10 commande. De plus, la détermination du premier signal de commande conformément aux caractéristiques précitées permet à la vanne de s'ouvrir ou de se fermer complètement. Dans un mode de réalisation, le module de temporisation est configuré de sorte que la durée entre deux commutations successives du 15 troisième signal de commande est au moins égale à une durée de temporisation déterminée en fonction d'une consigne de débit. Cela permet de limiter la fréquence de commutation de la vanne et donc de garantir une bonne durée de vie. Dans un mode de réalisation, ledit module de détermination 20 comprend un correcteur proportionnel-intégral apte à déterminer une grandeur de correction initiale en fonction d'une différence entre la consigne de jeu et l'estimation du jeu, et un module de normalisation apte à déterminer ladite grandeur de correction en fonction de la grandeur de correction initiale et d'un gain qui dépend de l'estimation du jeu. 25 L'invention propose aussi un moteur d'avion comprenant une vanne de type tout-ou-rien et une unité de commande conforme à l'invention, dans lequel la vanne est commandée en fonction du premier signal de commande déterminé par l'unité de commande. L'invention propose également un procédé de pilotage d'un jeu 30 entre, d'une part, des sommets d'aubes d'un rotor de turbine d'un moteur d'avion à turbine à gaz et, d'autre part, un anneau de turbine d'un carter entourant les aubes, le procédé comprenant la commande d'une vanne pour agir sur un débit et/au une température d'air dirigé vers le carter, caractérise err ce que ladite vanne ebt une vanne cie type tout-ou-nen apte à commuter entre un îlr~ ii 1, Ji, (1( U LlUlUll LL[I11111( la commande de la vanne comprenant la détermination d'un premier signal de commande binaire pouvant prendre une première valeur correspondant à un état ouvert de la vanne et une deuxième valeur correspondant à un état fermé de la vanne, la détermination du premier signal de commande incluant : la détermination d'une grandeur de correction en fonction d'une consigne de jeu et d'une estimation du jeu, la détermination d'un deuxième signal de commande binaire en fonction de la grandeur de correction, et la détermination d'un troisième signal de commande binaire en fonction du deuxième signal de commande, la durée entre deux commutations successives du troisième signal de commande étant au moins égale au temps de réaction de la vanne, ledit premier signal de commande étant déterminé en fonction dudit troisième signal de commande. Les avantages et caractéristiques discutés précédemment en référence à l'unité de commande s'appliquent de manière correspondante au procédé de pilotage.

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. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique et en coupe longitudinale d'une partie d'un moteur d'avion à turbine à gaz selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue agrandie du moteur de la figure 1 montrant notamment la turbine haute-pression de celui-ci ; - la figure 3 représente une boucle de commande mise en ouvre dans le moteur de la figure 1, et - la figure 4 représente de manière plus detailTée le correcteur de la boucle de commande de la figure 3.35 Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente de façon schématique un turboréacteur 10 du type à double flux et double corps auquel s'applique en particulier l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce type particulier de moteur d'avion à turbine à gaz. De façon bien connue, le turboréacteur 10 d'axe longitudinal X-X comprend notamment une soufflante 12 qui délivre un flux d'air dans une veine d'écoulement de flux primaire 14 et dans une veine d'écoulement de flux secondaire 16 coaxiale à la veine de flux primaire. D'amont en aval dans le sens d'écoulement du flux gazeux la traversant, la veine d'écoulement de flux primaire 14 comprend un compresseur basse-pression 18, un compresseur haute-pression 20, une chambre de combustion 22, une turbine haute-pression 24 et une turbine basse-pression 26.

Comme représenté plus précisément par la figure 2, la turbine haute-pression 24 du turboréacteur comprend un rotor formé d'un disque 28 sur lequel sont montées une pluralité d'aubes 30 mobiles disposées dans la veine d'écoulement du flux primaire 14. Le rotor est entouré par un carter de turbine 32 comprenant un anneau de turbine 34 porté par un carter externe de turbine 36 par l'intermédiaire d'entretoises de fixation 37. L'anneau de turbine 34 peut être formé d'une pluralité de secteurs ou segment adjacents. Du côté interne, il est muni d'une couche 34a de matériau abradable et entoure les aubes 30 du rotor en ménageant avec les sommets 30a de celles-ci un jeu 38. Conformément à l'invention, il est prévu un système permettant de piloter le jeu 38 en modifiant, de manière commandée, le diamètre interne du carter externe de turbine 36. A cet effet, une unité de commande 46 commande le débit et/ou la température de l'air dirigé vers le carter externe de turbine 36, en fonction d'une estimation du jeu 38 et d'une consigne de jeus L'unité de commande 46 est par exemple le système de régulation pleine autorité (ou FADEC) du turboréacteur 10. Dans !"exemple représenté, un boitier de pilotage 40 est disposé autour du carter externe de turbine 36 Cu boitier reçoit de l'air frais au rndyup cul in (nnclult d'air 42 s'ouvrant a suri i émltc amont clan' la \'elno iii i il ( Ili_ il iu LiLl u<i 1 hall du', ctiayLb compresseur haute-pression 20 (par exemple au moyen d'une écope connue en soi et non représentée sur les figures). L'air frais circulant dans le conduit d'air est déchargé sur le carter externe de turbine 36 (par exemple à l'aide d'une multiperforation des parois du boîtier de pilotage 40) provoquant un refroidissement de celui-ci et donc une diminution de son diamètre interne. Comme représenté sur la figure 1, une vanne 44 est disposée dans le conduit d'air 42. Cette vanne 44 est commandée par l'unité de commande 46. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce type particulier 10 de pilotage des dimensions du carter. Ainsi, un autre exemple non représenté consiste à prélever de l'air au niveau de deux étages différents du compresseur et de commander des vannes 44 pour moduler le débit de chacun de ces prélèvements pour régler la température du mélange à diriger sur le carter externe de turbine 36. 15 Conformément à l'invention, la vanne 44 est une vanne de type tout-ou-rien. L'utilisation d'une telle vanne est avantageuse, notamment en termes de coût, d'encombrement, de fiabilité et de puissance nécessaire pour la commande. 20 On comprend qu'en commandant la vanne 44 pour jouer, d'une part sur la fréquence d'ouverture et d'autre part, sur le rapport cyclique ouverture/fermeture de la vanne, il est possible d'obtenir une variation du débit moyen de l'air dirigé vers le carter. Différentes architectures de vanne de type tout-ou-rien sont 25 bien connues de l'homme du métier et ne seront donc pas décrites ici. De préférence, on choisira une vanne à commande électrique qui resterait en position fermée en absence d'alimentation électrique (ainsi, on garantit que la vanne reste fermée en cas de défaut de commande).

30 On décrit maintenant la commande de la vanne 44 par l'unité de commande 46 de manière plus détaillée. De manière connue, l'unité de commande 46 obtient, par mesure ou par calcul, les valeurs de différentes grandeurs caractérisant te fonctionnement du turboréacteur IO, et en particulier : 35 \iIi./25, 1- débit d'air dans la iule ecoulernent e flux j)II^11cilIL r

7 T3, la température à la sortie du compresseur haute-pression 20, T495, une température mesurée au niveau de la turbine basse-pression 26, - Pamb, la pression ambiante. L'unité de commande 1 met en oeuvre une boucle de régulation 1, représentée sur la figure 3, dans laquelle un signal de commande C de la vanne 44 est déterminé. La boucle de régulation 1 comprend un module de conversion 2, un additionneur 3, un correcteur 4, la vanne 44, le turboréacteur 10, et un module d'estimation 5. Le module de conversion 2, l'additionneur 3, le correcteur 4 et le module d'estimation 5 forment ensemble un module de commande de la vanne 44 intégré à l'unité de commande 46. Ce module de commande correspond par exemple à un programme d'ordinateur exécuté par l'unité de commande 46, â un circuit électronique de l'unité de commande 46 (par exemple de type circuit logique programmable) ou à une combinaison d'un circuit électronique et d'un programme d'ordinateur. Le module de conversion 2 détermine une consigne de jeu, notée 3c, en fonction d'une consigne de débit, exprimée en pourcentage du débit W25 et notée %W25. Le module de conversion 2 utilise par exemple une table de correspondance qui dépend des valeurs de T3, T495 et Pamb. La réalisation d'une telle table est connue de l'homme du métier et ne sera pas décrite en détail. Le module d'estimation 5 détermine une estimation du jeu 38, notée 3e, en fonction d'un état thermique du turboréacteur 10, représenté par une température TR. En effet, aucun capteur ne mesure directement le jeu 38 qui doit donc être estimé pour la boucle de régulation 1. La détermination d'une température TR représentative de C'état thermique du turboréacteur 10 et la détermination de l'estimation Je du jeu 38 en fonction de la température TR sont connues de l'homme du métier et ne seront pas décrites en détail. L'additionneur 3 détermine la différence E entre Je et 3e. C e correcteur 4 détermine le signal de commande C en fonction de l'estimation Je, de la consigne de débit 1,V25 et de la différence a D entw Jr et Je le signal de (nmmunde C est un signal binaire qui peut I ï'i Î( il ' ï l li E~i k_~l Ilr'r(' vciluuf c,i~Ci ~'s~ 011d 11(_ d Un otcit GuVc'I"t du id Vdilll~' et une deuxième valeur correspondant à un état fermé de la vanne 44. Conventionnellement, dans ce document, on note C=l pour l'état ouvert de la vanne 44 et C=0 pour l'état fermé de la vanne 44. La vanne 44 présente un temps de réaction nécessaire au passage de l'état ouvert à l'état fermé. Ce temps de réaction est par exemple de l'ordre de 2 secondes.

La figure 4 représente le correcteur 4 de manière plus détaillée.

Le correcteur 4 comprend un module de correction 6, un module de temporisation 7, un module de test 8 et un module de sélection 9. Le module de correction 6 comprend un correcteur proportionnel-intégral 50, un module de normalisation 51, et un module 15 de commutation 52. Le correcteur proportionnel-intégral 50 met en oeuvre une fonction de transfert de type proportionnel-intégral pour déterminer une grandeur de correction CO en fonction de la différence E. Le module de normalisation 51 multiplie la grandeur de correction CO par un gain G 20 pour fournir une grandeur de correction Cl dont la valeur est comprise entre O et 1. Le gain G dépend de l'estimation Je du jeu 38, ce qui permet de tenir compte de la variation du gain de la boucle de régulation 1 en fonction de l'état ouvert ou fermé de la vanne 44. Enfin, le module de commutation 52 détermine un signal de 25 commande C2 binaire en fonction de la grandeur de commande CI et d'un seuil prédéterminé. Par exemple, le module de commutation 52 met en oeuvre les instructions suivantes : Si CI < 0.5, alors C2 = 0 Si Cl > 0.5, alors C2 = 1 Le module de test 8 effectue des tests sur la consigne de débit %W25. 30 D'une part, lie module de test 8 teste si la consigne de débit %W25 est supérieure à un seuil prédéterminé et détermine une consigne de débit plafonnée, notée 0/iÀiiiii./25A en fonction du résultat de ce test. Plus précisément, la consigne de débit io\iiiii,/2.5A est par exemple plafonnée à 1,1% du débit W25. Ainsi, si le test %W25 2 est vérifié, le module de test 8 effectue un écrêtage. D'autre part, module de test 8 teste si la consigne de débit %W25 est inférieure à un autre seuil prédéterminé, et détermine un signal de sélection S1 en fonction du résultat de ce test. Le signal de sélection SI est fourni au module de sélection 9. Par exemple, le module de test 8 met en oeuvre les instructions suivantes : Si %W25 < 0.3% W25, alors S1 = 0 Si %W25 > 0.3% W25, alors S1 = 1 Le module de temporisation 7 détermine un signal de commande C3 binaire en fonction du signal de commande C2 et de la 10 consigne de débit %W25A, en effectuant une temporisation. En effet, les inventeurs ont constaté que le signal de commande C2 fourni par le module de correction 6 décrit précédemment pouvait changer de valeur plus rapidement que le temps de réaction de la vanne 44. Ainsi, le module de temporisation 7 introduit une temporisation pour 15 assurer que la vanne 44 a le temps de s'ouvrir ou se de fermer complètement. Plus précisément, en réponse à un changement de valeur du signal de commande C2, le module de temporisation 7 détermine si la durée écoulée depuis le dernier changement de valeur est supérieure à 20 une durée de temporisation prédéterminée. Si la durée écoulée depuis le dernier changement de valeur est supérieure à la durée de temporisation prédéterminée, alors le module de temporisation 7 fournit un signal de commande C3 égal au signal de commande C2. Par contre, si la durée écoulée depuis le dernier changement de valeur est inférieure ou égale à 25 la durée de temporisation prédéterminée, alors le module de temporisation 7 fournit un signal de commande C3 égal à la valeur précédente du signal de commande C3. La durée de temporisation prédéterminée est fonction de la consigne de débit plafonnée %W25A fournie par le module de test 8. Plus 30 précisément, la durée de temporisation est déterminée par une loi qui relie la consigne de débit plafonnée \.i'!25A à une fréquence maximale de commutation de la vanne 44. L'introduction d'une fréquence maximale de COMMLltdtIOP permet de limiter le il(irIlhre dE' COCTIFI-IlltMIOnq d(' Li \/(Illrl(-' L(i E (Je (,,)II1111LILitlUI1 ) Illut 0 LI le b0f Ille durée de vie de la vanne 44, car on sait que de manière générale la durée de vie d'un équipement dépend du nombre de cycles effectués en fonctionnement. La durée de temporisation donnée par la loi précitée est dans tous es cas au moins égale au temps de réaction de la vanne 44. Ainsi, la durée entre deux commutations successives du signal de commande C3 est au moins égale au temps de réaction de la vanne 44. Enfin, le module de sélection 9 fournit le signal de commande C égal au signal de commande C3 ou égal à o (c'est-à-dire correspondant à l'état fermé de la vanne 44) en fonction du signal de sélection SI. Plus précisément, le module de sélection 9 met en oeuvre les instructions suivantes : Si S1 = 0, alors C = 0 Si S1 = 1, alors C = C3 Autrement dit, la vanne 44 est maintenue fermée (C=0) si la consigne de débit %W25 est inférieure à 0.3% W25. Sinon, la vanne 44 est ouverte ou fermée en fonction du signal de commande C3 déterminé par le module de correction 6 et le module de temporisation 7. Comme le signal de commande C3 est déterminé en fonction d'une temporisation qui empêche une variation plus rapide que le temps de réaction de la vanne 44, le signal de commande C ne varie pas plus rapidement que le temps de réaction de la vanne 44.

Les inventeurs ont simulés e fonctionnement de la boucle de régulation 1, pour différents types de mission d'un aéronef. Cette simulation a permis de vérifier, d'une part, que la boucle de régulation 1 5 permet une commande efficace du jeu 38, et d'autre part, que le nombre de commutations de la vanne 44 entre les états ouvert et fermé est compatible avec le nombre de commutations que peuvent typiquement supporter les vannes de type tout-ou-rien. 0

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Unité de commande (46) pour le pilotage d'un jeu (38) entre, d'une part, des sommets d'aubes (30) d'un rotor de turbine d'un moteur d'avion à turbine à gaz et, d'autre part, un anneau de turbine (34) d'un carter (32) entourant les aubes, l'unité de commande comprenant un module de commande d'une vanne (44) pour agir sur un débit et/ou une température d'air dirigé vers le carter (32), caractérisé en ce que ladite vanne est une vanne de type tout-ou-rien apte à commuter entre un état ouvert et un état fermé en un temps de réaction déterminé, ledit module de commande comprenant un correcteur (4) apte à déterminer un premier signal de commande (C) binaire pouvant prendre une première valeur correspondant à un état ouvert de la vanne (44) et une deuxième valeur correspondant à un état fermé de la vanne (44), ledit correcteur (4) incluant : Un module de détermination (50, 51) d'une grandeur de correction (Cl) en fonction d'une consigne de jeu (Je) et d'une estimation (Je) du jeu (38), Un module de commutation (52) apte à déterminer un deuxième signal de commande (C2) binaire en fonction de la grandeur de correction (CI), et .. Un module de temporisation (7) apte à déterminer un troisième signal de commande (C3) binaire en fonction du deuxième signal de commande (C2), la durée entre deux commutations successives du troisième signal de commande (C3) étant au moins égale au temps de réaction de la vanne (44), ledit premier signal de commande (C) étant déterminé en fonction dudit troisième signal de commande (C3).
2. 2. Unité de commande (46) selon la revendication 1, dans laquelle le module de temporisation (7) est configuré de sorte que la durée entre deux commutations successives du troisième signal de commande (C3) est au moins égaie a une durée de temporisation détermine e un fonction ci une ( onsicine de dent \",/.25A)12
3. 3. Unité de commande (46) selon la revendication 1, dans laquelle ledit module de détermination (50, 51) comprend un correcteur proportionnel-intégral (50) apte à déterminer une grandeur de correction initiale (CO) en fonction d'une différence (E) entre la consigne de jeu (3c) et l'estimation (3e) du jeu (38), et un module de normalisation (51) apte à déterminer ladite grandeur de correction (Cl) en fonction de la grandeur de correction initiale (CO) et d'un gain qui dépend de l'estimation (3e) du jeu (38). 10
4. 4. Moteur d'avion comprenant une vanne (44) de type tout-ourien et une unité de commande (46) selon la revendication 1, dans lequel ladite vanne (44) est commandée en fonction du premier signal de commande (C) déterminé par l'unité de commande (46). 15
5. 5. Procédé de pilotage d'un jeu (38) entre, d'une part, des sommets d'aubes (30) d'un rotor de turbine d'un moteur d'avion à turbine à gaz et, d'autre part, un anneau de turbine (34) d'un carter (32) entourant les aubes, le procédé comprenant la commande d'une vanne (44) pour agir sur un débit et/ou une température d'air dirigé vers le 20 carter (32), caractérisé en ce que ladite vanne est une vanne de type tout-ou-rien apte à commuter entre un état ouvert et un état fermé en un temps de réaction déterminé, la commande de la vanne (44) comprenant la détermination d'un premier signal de commande (C) binaire pouvant prendre une première valeur 25 correspondant à un état ouvert de la vanne (44) et une deuxième valeur correspondant à un état fermé de la vanne (44), la détermination du premier signal de commande (Cl) incluant : la détermination d'une grandeur de correction (Cl) en fonction d'une consigne de jeu (3c) et d'une estimation (Je) 30 du jeu (38), la détermination d'un deuxième signal de commande (C2) binaire en fonction de la grandeur de correction (CI), et La détermination d'un boisieme signal de commande (C3) binaire en fonction du deuxième signal de commande (C2), 35 CILI(éU bnLI( COI11rillitcltIOUS `3UCOEiSSIVE'q dlt ttoisiemEsignal de commande (C3) étant au moins égale au temps de réaction de la vanne (44), ledit premier signal de commande (C) étant déterminé en fonction dudit troisième signal de commande (C3).