FR2978994A1 - - Google Patents

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Abstract

Un compresseur de charge (24) comprend une entrée (26) et un échappement (21) d'air, et une vanne de commande de pompage (28) positionnée sur l'échappement. La vanne de commande de pompage sert à faire passer sélectivement de l'air vers une utilisation en aval ou devant être déchargé dans l'atmosphère. Une commande (29) pour le compresseur et la vanne de commande de pompage est également incluse. La commande est dotée d'une variable indiquant le fonctionnement du compresseur de charge, la variable indiquant un mouvement vers un fonctionnement transitoire du compresseur. La commande est dotée d'une limite de commande de pompage basse pour le fonctionnement à l'état d'équilibre. La commande est également dotée d'une limite de commande de pompage supérieure, et passe à une utilisation de la limite de commande de pompage supérieure si la variable surveillée est observée en train de changer au-delà d'un seuil particulier. Les limites de commande de pompage basse et supérieure sont utilisées pour commander l'ouverture de la vanne de commande de pompage. Un système et un procédé d'alimentation en air d'aéronef sont également divulgués.

Description

LOGIQUE D'ANTICIPATION POUR UNE VANNE DE COMMANDE DE POMPAGE UTILISEE AVEC UN COMPRESSEUR DE CHARGE
Contexte La présente demande concerne en général un procédé d'optimisation du fonctionnement d'un compresseur qui fournit de la puissance pneumatique afin de maximiser la performance et de maintenir une bonne marge de stabilité pour les fonctionnements à la fois à l'état d'équilibre et transitoire. Un groupe auxiliaire de bord ou APU (de l'anglais « Auxiliary Power Unit »)) est une petite turbine à gaz qui assure un certain nombre de fonctions associées à un aéronef autres que la propulsion, en particulier' avant que les moteurs principaux de l'aéronef ne soient lancés. Certaines configurations d'APU comprennent un compresseur de charge monté sur un arbre qui délivre une puissance pneumatique à des accessoires d'aéronef. De l'air de prélèvement de compresseur de charge est délivré à des systèmes d'aéronef via une vanne de commande de prélèvement (« bleed control valve » en anglais). Une partie de l'air peut être utilisée comme air de cabine avant que la turbine à gaz principale ne soit lancée et le compresseur de charge peut également alimenter en air les turbines à gaz principales au moment de la mise en marche.
Normalement, les accessoires alimentés par l'APU ont une grande plage de besoins en air comprimé, auxquels la vanne de commànde de prélèvement de l'APU doit subvenir. Si. la demande d'air chute en dessous de certaines limites, un fonctionnement instable du compresseur, appelé « pompage » (« surge » en anglais) peut se produire.
Pour maintenir l'écoulement de compresseur au-dessus de son niveau de pompage, une vanne anti-pompage est utilisée. On programme au moteur une logique anti-pompage pour ajuster la vanne anti-pompage afin de détourner une portion de l'écoulement de compresseur dans l'atmosphère, et ainsi maintenir l'écoulement d'air comprimé au-dessus des limites minimales pour éviter le pompage. Les limites d'écoulement d'air minimal de compresseur sont établies en prenant en compte de nombreux paramètres, y compris les conditions de fonctionnement, la position des aubes guides d'entrée de compresseur, les demandes de prélèvement, etc. Un autre aspect important qui est pris en considération est le fonctionnement pendant les manoeuvres transitoires.
Pendant une réduction rapide de la demande d'écoulement d'air, l'écoulement d'air minimal du compresseur pourrait momentanément chuter en dessous de la limite minimale et provoquer le pompage. Ainsi, afin d'empêcher que de telles situations se présentent et de maintenir un bon fonctionnement du compresseur, la limite d'écoulement de prélèvement minimale doit être augmentée. Une limite d'écoulement de prélèvement minimale plus élevée réduit la performance de l'APU dans certaines conditions de fonctionnement, augmentant la température du moteur et la consommation de carburant, et, en même temps, réduisant la qualité d'air de prélèvement ainsi que la pression et l'écoulement de prélèvement inférieurs.
Résumé Un compresseur de charge comprend une entrée et un échappement d'air, une vanne de prélèvement (« bleed valve » en anglais) et une vanne anti-pompage positionnée
sur l'échappement. La vanne de prélèvement sert à faire passer sélectivement de l'air dans une utilisation en aval pendant que la vanne anti-pompage le décharge dans l'atmosphère. Une commande pour le compresseur et la vanne de commande de pompage est également incluse. La commande est dotée d'une variable indiquant le fonctionnement du compresseur de charge, la variable indiquant un mouvement vers un fonctionnement transitoire du compresseur. La commande est dotée d'une limite de régulation ou commande de pompage basse (« low surge control limit » en anglais) pour un fonctionnement à l'état stable, et une limite de régulation ou commande de pompage supérieure (« high surge control limit » en anglais). Les limites de commande de pompage basse et supérieure sont utilisées pour commander l'ouverture de la vanne de commande de pompage. Un système de compresseur, un système et un procédé d'alimentation en air d'aéronef sont également divulgués. Le système de compresseur peut comprendre un compresseur ayant une entrée et un échappement d'air, une vanne de commande de pompage positionnée sur ledit échappement, ladite vanne de commande de pompage servant à faire passer sélectivement l'air vers une utilisation en aval ou pour le décharger, et une commande pour ledit compresseur et ladite vanne de commande de pompage dotée d'une variable indiquant un -mouvement dudit compresseur vers un fonctionnement transitoire, ladite commande étant en outre dotée d'une limite de commande de pompage basse, et ladite commande étant dotée d'une limite de commande de pompage supérieure, ladite commande passant vers l'utilisation de ladite limite de commande de pompage supérieure si la variable étant surveillée est observée en train de changer au-delà d'un seuil particulier, et
lesdites limites de commande de pompage basse et supérieure étant utilisées pour commander l'ouverture de ladite vanne de commande de pompage. Le système d'alimentation en air d'aéronef peut comprendre un groupe auxiliaire de bord pour alimenter en énergie un compresseur, par exemple un compresseur de charge, ledit compresseur étant agencé pour délivrer de l'air à une utilisation sur un aéronef. Le système d'alimentation en air d'aéronef peut comprendre en outre une commande telle que décrite ici ci-dessus. Le procédé peut comprendre la commande d'une vanne de commande de pompage en fournissant une variable indiquant un mouvement d'un compresseur vers un fonctionnement transitoire, ladite commande étant en outre dotée d'une limite de commande de pompage basse, et ladite commande étant dotée d'une limite de commande de pompage supérieure, ladite commande passant vers une utilisation de ladite limite de commande de pompage supérieure si la variable étant surveillée est observée en train de changer au-delà d'un seuil particulier, et l'une desdites limites de commande de pompage basse et supérieure étant utilisée pour ouvrir ladite vanne de commande de pompage lorsque ladite une des limites de commande de pompage basse ou supérieure est dépassée.
De façon avantageuse, le compresseur peut être un compresseur de charge, par exemple dans un groupe auxiliaire de bord. De façon avantageuse, la variable peut être une pression de charge dynamique dudit compresseur.
De façon avantageuse, la pression de charge dynamique peut être inversement proportionnelle à une pression de refoulement (« discharge pressure » en anglais) dudit compresseur.
De façon avantageuse, le changement dans ladite variable peut (de préférence doit) avoir lieu en lectures consécutives de ladite variable avant que ladite commande ne passe à ladite limite de commande de pompage supérieure. De façon avantageuse, la commande peut revenir vers ladite limite de commande de pompage basse une fois que le changement dans la variable ne dépasse plus le seuil. De façon avantageuse, le changement dans ladite variable peut être négatif, et doit être inférieur à un seuil prédéterminé pour que ladite commande passe à ladite limite de commande de pompage supérieure. De façon avantageuse, la vanne de commande de pompage peut également incorporer une vanne de prélèvement, ladite vanne de prélèvement commandant l'écoulement vers l'utilisation en aval. De façon avantageuse, la vanne de prélèvement et la vanne de commande de pompage peuvent être incorporées dans une seule vanne.
De façon avantageuse, la vanne de prélèvement et la vanne de commande de pompage peuvent être deux vannes séparées. De façon avantageuse, l'utilisation sur l'aéronef peut comprendre à la fois une alimentation en air de cabine passagers, et l'alimentation en air à une turbine à gaz principale sur l'aéronef. Ces caractéristiques et d'autres de la présente invention peuvent être mieux comprises grâce aux spécifications et dessins suivants, dont la section suivante est une brève description.
Brève description des dessins
La figure Al illustre schématiquement un compresseur de charge pour un aéronef. La figure 1B illustre un autre mode de réalisation. La figure 2 illustre des conditions de fonctionnement. La figure 3 est un organigramme d'une logique de l'invention.
Description détaillée La figure 1A montre schématiquement un compresseur de charge 24, un APU 22, et une utilisation d'aéronef 32 en tant que système combiné. L'APU 22 comprend typiquement une petite turbine à gaz qui fournit de l'électricité, mais également entraîne un compresseur de charge 24. Le compresseur de charge 24 a une entrée d'air 26 et délivre l'air à travers un échappement 21, et à travers une vanne combinée de commande de pompage et de prélèvement 28 vers une utilisation en aval 32. L'utilisation en aval est typiquement associée à un aéronef, et peut comprendre la cabine passagers d'aéronef, ainsi que les turbines à gaz principales sur l'aéronef. Une unité de commande 29 commande le compresseur 24 et la vanne 28. Lorsque la vanne de commande de pompage est ouverte, elle dirige une partie de l'air comprimé vers une décharge 30 où l'air comprimé est renvoyé dans l'atmosphère. Le reste de l'air est dirigé vers une conduite 34 et l'utilisation 32. Les vannes appelées « à action rapide » peuvent être utilisées pour la vanne de commande de pompage 28. La vanne 28 est une vanne qui peut détourner une partie de l'écoulement vers la conduite de décharge 30 et une autre partie vers la conduite 34. Lorsqu'une limite
de pompage est dépassée, comme ce sera expliqué ci-dessous, la commande 29 commande la vanne 28 pour qu'elle détourne au moins une partie de l'air vers la ligne de décharge 30.
La figure 1B illustre un mode de réalisation 120 qui est quelque peu similaire au mode de réalisation de la figure 1A. Chacun des éléments qui sont identiques au mode de réalisation de la figure lA comporte une centaine ajoutée à la référence numérique. Ainsi, la commande 129 agit en combinaison avec le compresseur de charge 124. Le compresseur de charge 124 reçoit de l'air en provenance de l'entrée 126, et le délivre à travers l'échappement 121 pour une utilisation en aval 132. L'APU 122 entraîne le compresseur de charge 124. L'utilisation 132 reçoit de l'air en provenance d'une conduite 134. Ce qui est différent dans le mode de réalisation de la figure 1B, est que la vanne unique a été remplacée par une vanne de prélèvement 131, et une vanne anti-pompage 128. Les deux vannes étaient combinées dans la vanne 28 de la figure 1A. La vanne anti-pompage 128 est commandée pour s'ouvrir et décharger de l'air dans l'atmosphère 130 si les limites de pompage sont dépassées, comme expliqué ci-dessous. Lorsqu'elle est fermée, la vanne anti-pompage 128 permet à l'air de passer de l'échappement d'un compresseur de charge 124 à une utilisation inférieure 132 telle que davantage limitée par la vanne de prélèvement 131. La commande de l'art antérieur d'un phénomène appelé marge de pompage (« surge margin » en anglais) peut être décrit par les conditions de fonctionnement illustrées figure 2. La ligne X montre des points opérationnels pour un compresseur de charge typique. Une première limite de commande de pompage supérieure est désignée par Y. Une
deuxième limite de commande de pompage inférieure est désignée par Z. Pendant que le compresseur de charge fonctionne à un point de fonctionnement, T1 par exemple, il n'y a pas de problème de pompage. Cependant, lorsque la mesure de charge dynamique de compresseur de charge LDC DPP illustrée chute, le fonctionnement s'approche d'un point T2. Des capteurs de pression existants situés dans un diffuseur de compresseur de charge et un autre dans la sortie de compresseur de charge peuvent être utilisés. La différence entre les deux pressions indiquerait la LDC DPP. Bien sûr, d'autres façons de détecter la pression peuvent être utilisées. La LDC DPP est généralement inversement proportionnelle à la pression de refoulement du compresseur. .T2 est généralement illustré au niveau de la limite de commande de pompage supérieure Y. Un autre point, T3, est également illustré. Pour fournir la performance la plus efficace à un fonctionnement à l'état d'équilibre, une limite de commande de pompage inférieure telle que Z est souhaitable. D'autre part, cette limite peut ne pas être acceptable pour les fonctionnements transitoires rapides, tels que le démarrage d'unz turbine à gaz principale sur un aéronef recevant l'APU 22/122. La présente invention fournit une logique de commande qui anticipe un mouvement vers un fonctionnement transitoire, et une nécessité de la limite supérieure. One variable est observée et un changement dans cette variable indiquerait un mouvement vers un pompage. Etant donné que la variable illustrée LDC DPP est proportionnelle à l'écoulement (et inversement proportionnelle à la pression), une chute dans la LDC DPP 9
ou une dérivée ou pente négative indiquerait le mouvement vers un pompage. Ainsi, comme illustré en figure 3, une logique de commande, qui peut être incluse dans la commande 29, 129, recherche un changement dans la variable. Si le changement dépasse une limite, alors la limite de commande de pompage supérieure est utilisée. D'un autre côté, si le changement ne dépasse pas la limite, alors la limite de commande de pompage inférieure est utilisée.
La recherche du changement dans la variable fournit une réponse très rapide de sorte que le système fonctionnera sur la limite de commande de pompage transitoire supérieure extrêmement rapidement une fois qu'une condition transitoire a commencé.
Dans un mode de réalisation, il peut y avoir un seuil pour le changement dans la LDC DPP si la vitesse de changement est inférieure à -2 % par seconde par exemple. Dans certains modes de réalisation, la limite de seuil peut être une fonction de la vitesse de moteur, de la position des aubes guides d'entrée ou d'une autre condition de fonctionnement. De plus, la logique peut nécessiter qu'il y. ait des lectures consécutives en dessous de ce seuil. Par exemple, des lectures peuvent être prises toutes les 20 millisecondes, et uniquement lorsqu'un nombre particulier de lectures consécutives, trois par exemple, est en dessous de ce seuil, cela déclenchera le changement de la limite de commande de pompage de la valeur basse d'état stable à la valeur transitoire haute. Bien sûr, les valeurs numériques sont uniquement données à titre d'exemple. Toute autre vitesse de changement, intervalle entre les lectures, ou nombre de lectures consécutives peuvent être utilisés. 10
Le système repassera à la limite d'état stable inférieure une fois que la quantité de changement est réduite, de sorte qu'une nouvelle condition d'état stable semble être atteinte.
La commutation d'une limite de commande de pompagé inférieure à une limite de commande de pompage supérieure fonctionne légèrement différemment en fonction de l'endroit où le point de fonctionnement du compresseur se trouvait avant que la réduction rapide de la demande d'écoulement n'ait lieu : a. si le point de fonctionnement du compresseur est au-dessus de la limite Y (par exemple le point T1) , la logique de commande anti-pompage peut surmonter l'intervalle temporel de commande et le fonctionnement de vanne anti-pompage en commençant l'ouverture de vanne avant que la limite d'état stable ne soit atteinte ; b. si le fonctionnement du compresseur est en dessous de la limite Y (par exemple le point T3), la logique de commande anti-pompage détectera un delta élevé entre le point de fonctionnement de compresseur et la limite transitoire (limite Y). La commande peut générer un ordre d'ouverture supérieur pour accélérer l'ouverture de vanne. En tant qu'exemple, le signal à la vanne peut être augmenté proportionnellement en se basant sur la grandeur de l'erreur. En autorisant une limite de commande de pompage inférieure' (par exemple, la limite Z) sous certaines conditions de fonctionnement, la performance de l'APU peut être augmentée et la consommation de carburant réduite. Alors que le fonctionnement du compresseur de charge avec un APU est divulgué, les caractéristiques de la demande peuvent être bénéfiques dans d'autres types de compresseurs.
Bien que des modes de réalisation de la présente invention aient été divulgués, l'homme du métier observera que certaines modifications se trouvent dans la portée de l'invention. Pour cette raison, les revendications suivantes doivent être étudiées pour déterminer la portée réelle et le contenu de la présente invention.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Système de compresseur comprenant : un compresseur (24) ayant une entrée (26) et un échappement(21) d'air, une vanne de commande de pompage {28) positionnée sur ledit échappement, ladite vanne de commande de pompage servant à faire passer sélectivement de l'air vers une utilisation en aval, ou devant être déchargé ; et une commande (29) pour ledit compresseur et ladite vanne de commande de pompage dotée d'une variable indiquant un mouvement dudit compresseur vers un fonctionnement transitoire, ladite commande étant en outre dotée d'une limite de commande de pompage basse, et ladite commande étant dotée d'une limite de commande de pompage supérieure, ladite commande commutant vers une utilisation de ladite limite de commande de pompage supérieure si la variable étant surveillée est observée en train de changer au-delà d'un seuil particulier, et lesdites limites de commande de pompage inférieure et supérieure étant utilisées pour commander l'ouverture de ladite vanne de commande de pompage.
  2. 2. Système de compresseur selon la revendication 1, dans lequel ledit compresseur est un compresseur de 25 charge (24 ; 124) dans un groupe auxiliaire de bord.
  3. 3. Système de compresseur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite variable est une pression de charge dynamique dudit compresseur.
  4. 4. Système de compresseur selon la revendication 3, dans lequel ladite pression de charge dynamique est 30 13 inversement proportionnelle à une pression de refoulement dudit compresseur.
  5. 5. Système de compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit changement dans ladite variable doit avoir lieu dans des lectures consécutives de ladite variable avant que ladite commande ne se déplace vers ladite limite de commande de pompage supérieure.
  6. 6. Système de compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite commande retourne -à ladite limite de commande de pompage basse une fois que le changement dans la variable ne dépasse plus le seuil.
  7. 7. Système de compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit changement dans ladite variable est négatif, et doit être inférieur à un seuil prédéterminé pour que ladite commande passe à ladite limite de commande de pompage supérieure.
  8. 8. Système de compresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite vanne de commande de pompage incorpore également une vanne de prélèvement, avec ladite vanne de prélèvement commandant l'écoulement vers l'utilisation en aval.
  9. 9. Système de compresseur selon la revendication 8, dans lequel ladite vanne de prélèvement et ladite vanne de commande de pompage sont incorporées dans une seule vanne (28). 14
  10. 10. Système de compresseur selon la revendication 8, dans lequel ladite vanne de prélèvement (131) et ladite vanne de commande de pompage (128) sont deux vannes séparées.
  11. 11. Système d'alimentation en air d'aéronef, comprenant : un groupe auxiliaire de bord alimentant en énergie un compresseur de charge, ledit compresseur de charge délivrant de l'air pour une utilisation sur un aéronef ; ledit compresseur de charge (24) ayant une entrée (26) et un échappement (21) d'air, une vanne de commande de pompage (28) positionnée sur ledit échappement, ladite vanne de commande de pompage servant à faire passer sélectivement de l'air vers l'utilisation, ou devant être déchargé ; et une commande. (29) pour ledit compresseur de charge et ladite vanne de commande de pompage dotée d'un indicateur variable d'un mouvement dudit compresseur vers un fonctionnement transitoire, ladite commande étant en outre pourvue d'une limite de commande de pompage basse, et ladite commande étant dotée d'une limite de commande de pompage supérieure, ladite commande passant à l'utilisation de ladite limite de commande de pompage supérieure si la variable étant surveillée est observée en train de changer au-delà d'un seuil particulier, et lesdites limites de commande de pompage basse et supérieure étant utilisées pour commander l'ouverture de ladite vanne de commande de pompage.
  12. 12. Système d'alimentation en air d'aéronef selon la revendication 11, dans lequel ladite utilisation sur l'aéronef comprend à la fois une alimentation en air de la cabine passagers et l'alimentation en air vers une turbine à gaz principale sur l'aéronef.
  13. 13. Procédé d'exploitation d'un compresseur de charge comprenant la commande d'une vanne de commande de pompage en fournissant une variable indiquant un mouvement d'un compresseur vers un fonctionnement transitoire, ladite commande étant en outre dotée d'une limite de commande de pompage basse, et ladite commande étant dotée d'une limite de commande de pompage supérieure, ladite commande passant à une utilisation de ladite limite de commande de pompage supérieure si la variable étant surveillée est observée en train de changer au-delà d'un seuil particulier, et l'une desdites limites de commande de pompage basse et supérieure étant utilisée pour ouvrir ladite vanne de commande de pompage lorsque ladite une des limites de commande de pompage basse et supérieure est dépassée.
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