FR3002273A1

FR3002273A1 - Dispositif avionique pour la surveillance d'une turbomachine

Info

Publication number: FR3002273A1
Application number: FR1351421A
Authority: FR
Inventors: Valerio Gerez; Serge Christian Joel Blanchard; Julien Alexis Louis Ricordeau
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2014-08-22
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: US9472026B2; US20140236451A1; FR3002273B1

Abstract

Dispositif avionique pour la surveillance d'une turbomachine L'invention consiste en un dispositif avionique (1000) pour la surveillance d'une turbomachine (1200) pour aéronef, comprenant des moyens de reconnaissance d'au moins une condition de présence d'un balourd thermique sur un rotor de la turbomachine après l'arrêt de celle-ci, pour un éventuel processus de redémarrage.

Description

Domaine technique et art antérieur L'invention s'inscrit dans le domaine de la surveillance des turbomachines pour aéronef, notamment des turboréacteurs. Les turbomachines sont composées d'au moins un rotor et un stator. Il est connu qu'un balourd thermique est susceptible d'apparaître sur le rotor peu de temps après l'arrêt de la machine. En effet, la ventilation naturelle de la machine en fonctionnement n'est plus présente et la chaleur migre naturellement vers les parties hautes de la machine. Il en résulte une dissymétrie de répartition de la chaleur qui entraine une flexion importante du rotor, qui s'affaisse entre les paliers qui le soutiennent. Le rotor comporte donc un balourd, qui est qualifié de balourd thermique. Celui-ci disparait progressivement si la machine reste à l'arrêt suffisamment longtemps pour refroidir. En cas de démarrage alors que le balourd thermique est présent, la force centrifuge tend à accroitre la flexion du rotor, augmentant ainsi le balourd, dans un phénomène qui s'amplifie, la forme du rotor s'écartant de plus en plus de sa forme fonctionnelle. La ventilation qui apparaît dans les instants qui suivent permet la diminution de la température et le retour du rotor à sa forme fonctionnelle, mais des contacts transitoires entre le rotor et le stator sont néanmoins susceptibles de se produire, ce qui conduit à l'endommagement de la machine et détériore les performances de celle-ci quand elle n'est pas même rendue inutilisable. En particulier, les jeux entre les sommets des aubes tournantes et le revêtement abradable du stator sont augmentés par les contacts, ce qui conduit à la détérioration des performances du moteur.

Une pratique connue pour contourner le danger pour le moteur que constitue le balourd thermique consécutif à l'arrêt du moteur est de simplement informer les pilotes en indiquant dans le manuel de l'appareil de l'existence d'une plage de temps, déterminée par rapport à l'instant d'arrêt du moteur, pendant laquelle le redémarrage est déconseillé. Cette plage, fixe et déterminée par le constructeur pour un moteur donné, débute quelques instants après l'arrêt, car immédiatement après celui-ci, on estime que le balourd ne s'est pas encore formé. Elle s'étend ensuite jusqu'à ce que suffisamment de temps se soit écoulé pour que le balourd se soit suffisamment estompé pour que le risque de contact entre rotor et stator soit considéré comme suffisamment faible. Cette pratique a l'inconvénient de ne pas prendre en compte l'état particulier du moteur au moment du redémarrage souhaité qui est déterminé notamment par les conditions particulières de la séquence fonctionnement et arrêt précédant le redémarrage souhaité par le pilote. L'invention a pour objet de résoudre le problème ainsi évoqué. Définition de l'invention et avantages associés L'invention propose pour résoudre ce problème, un dispositif avionique pour la surveillance d'une turbomachine pour aéronef, comprenant des moyens de reconnaissance d'au moins une condition de présence d'un balourd thermique sur un rotor de la turbomachine après l'arrêt de celle-ci, pour informer au mieux le pilote en amont d'un éventuel processus de redémarrage et/ou contrôler le processus de redémarrage dans un deuxième mode de réalisation.

Grâce à ce dispositif, il est possible de protéger la turbomachine et d'améliorer les probabilités qu'aucun contact entre rotor et stator ne se produise, et que la turbomachine ne soit pas endommagée en raison de la présence d'un balourd thermique.

Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens d'estimation, après un arrêt de la turbomachine, d'un créneau temporel à venir au cours duquel un balourd thermique est attendu. Dans certaines variantes, une aide à la décision de démarrage est fournie au pilote. Selon différentes caractéristiques de mise en oeuvre, une estimation d'un balourd thermique est faite en utilisant au moins une température mesurée, et/ou une pression mesurée, et/ou une accélération mesurée. Avantageusement, une estimation d'un balourd thermique est faite en utilisant un modèle statistique, comprenant éventuellement un arbre de décision ou un réseau de neurones. Dans un mode de réalisation avantageux, une base de données est renseignée avec, pour un démarrage donné, au moins une valeur de balourd observée ou estimée, un instant d'un éventuel contact entre le rotor et le stator, ou un contexte thermique de la turbomachine. Dans ce mode de réalisation, un procédé est mis en oeuvre, comprenant une phase d'apprentissage, puis une phase de surveillance. L'apprentissage est avantageusement, mais pas nécessairement, mené à l'échelle d'une flotte d'avions.

II est également proposé qu'une information sur un balourd observé ou estimé à partir de données fournies par au moins un accéléromètre, mise en relation avec les éventuels contacts entre le rotor et le stator s'étant produit soit transmise à une base de données au sol. Cela permet la mise en oeuvre d'un processus d'apprentissage, dans un système comprenant une entité au sol et les dispositifs avioniques embarqués d'une flotte d'appareils. Dans un mode de réalisation particulier, enfin, on estime, dans un calcul pour la surveillance d'un processus de redémarrage de la turbomachine, le jeu entre les sommets des aubes du rotor et le revêtement du stator.

L'invention consiste aussi en un procédé de surveillance d'une turbomachine pour aéronef, comprenant une étape de reconnaissance d'au moins une condition de présence d'un balourd thermique sur un rotor de la turbomachine après l'arrêt de celle-ci, et une étape de surveillance d'un processus de redémarrage. Ce procédé présente les avantages évoqués pour le dispositif présenté supra. Avantageusement, le procédé inclut une estimation du balourd, une détection d'un éventuel contact entre le rotor et le stator à partir d'au moins accéléromètre, et une alerte au cockpit signalant une présence éventuelle d'une condition de balourd thermique. Il est également, enfin, proposé un programme informatique comprenant des instructions, qui quand elles sont mises en oeuvre par un calculateur de système embarqué avionique, procèdent à l'exécution des étapes d'un procédé tel qu'évoqué plus haut.

Brève description des dessins La figure 1 présente une turbomachine, de côté et de face, et la déformation liée au balourd thermique. La figure 2 présente le processus d'apprentissage mis en oeuvre dans un mode de réalisation de l'invention.

La figure 3 présente un aspect de mise en oeuvre de l'invention. La figure 4 présente le processus de mise en oeuvre de l'invention pour le redémarrage du moteur lors d'un arrêt de celui-ci. Description détaillée d'un mode de réalisation En figure 1, on a présenté le rotor 100 et le stator 200 d'un turboréacteur. La vue de gauche est une vue de côté, alors que la vue de droite est une vue de face. Le rotor porte une série d'aubes 101, 102, ..., 10n, fixées sur l'axe 110 du rotor. Celui-ci est soutenu par des paliers 120 et 121 qui lui permettent d'être articulé en rotation vis-à-vis du stator 200. La surface de celui-ci faisant face au rotor peut être recouverte d'un revêtement a brada ble.

En présence d'un balourd, l'axe 110 est déformé, et le rotor est décalé d'un excentrement noté e. La position du rotor est présentée en trait plein en l'absence de balourd, et en tireté en présence de balourd. On voit qu'en présence de balourd, les risques de contact entre les aubes 101, ..., 10n et le stator sont fortement augmentés. En figure 2, on a présenté un processus d'apprentissage d'un dispositif pour le contrôle d'une turbomachine, ici un turboréacteur, selon un mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre une phase d'apprentissage, mise en oeuvre à l'échelle d'une flotte d'avions, et une phase de surveillance pour un appareil donné. Dans ce mode de réalisation, le dispositif est intégré dans le FADEC (Full Authority Digital Engine Control, ou régulateur numérique de moteur à pleine autorité) 1000, qui reçoit des informations de capteurs 1100 mesurant des grandeurs relatives au turboréacteur 1200.

Les informations mesurées par les capteurs 1100 incluent des températures, telles que les températures Tamb, T3 et EGT (nomenclature relative au FADEC), ainsi que des pressions telles que Pamb (nomenclature relative au FADEC). On s'intéresse notamment aux valeurs de EGT (Exhaust Gas Temperature, ou température des gaz d'échappement) mesurées autour de la turbine basse pression du turboréacteur 1200, à différentes positions, de manière à prendre en compte le gradient de température selon la position horaire autour du réacteur (cela est visible en figure 3, où les capteurs 500 sont disposés tout autour de l'axe 110, de manière à ce que l'EGT soit mesurée sur 360°). On prend également en compte, dans certaines variantes, la température de l'huile du moteur. Ces valeurs sont mesurées lors des phases de démarrage, ainsi que lors des phases d'arrêt. Les informations mesurées par les capteurs 1100 incluent des signaux 30 mesurés par des accéléromètres à proximité du couple rotor/stator du turboréacteur 1200. Ces signaux peuvent être analysés par RMS (Root Mean Square ou moyenne quadratique) à la volée pour détecter les chocs et les frottements intenses engendrés par des contacts radiaux entre rotor et stator. Ils peuvent aussi être analysés par calcul du niveau RMS global, comparé à une valeur de seuil prédéterminée au-delà de laquelle il est estimé qu'un choc a eu lieu. On peut également rechercher une élévation brutale du niveau RMS global des signaux des accéléromètres. Une autre méthode consiste à décomposer les signaux des accéléromètres en séries de Fourier et de les restituer en diagrammes de Campbell pour mettre en évidence des chocs et des frottements intenses engendrés par les contacts radiaux entre stator et rotor, par apparition caractéristique d'énergie à un même instant sur toutes les fréquences de la bande passante. Le balourd au démarrage est également calculé par le FADEC 1000, à partir d'une phase de référence et des signaux des accéléromètres, par un algorithme de détection des déséquilibres (unbalance algorithm). Le balourd au démarrage est composé d'un balourd thermique et du balourd mécanique, existant à froid. Le balourd mécanique peut être connu par sa mesure pendant la phase d'arrêt du réacteur. En pratique, le balourd de démarrage est proche du balourd thermique car le balourd mécanique est faible. Une base de données 1300 pour l'avion est constituée, par un système de maintenance embarqué (non représenté), avec les valeurs de balourds thermiques déterminées, mises en regard avec les informations de température et de pression, et les occurrences, notamment les dates, des contacts entre rotor et stator. Ceux-ci sont déterminées par l'analyse des signaux d'accéléromètres, ainsi que par le ressenti des pilotes, qui sont chargés de renseigner leur expérience en vol et peuvent ainsi indiquer qu'ils estiment qu'un contact entre rotor et stator s'est produit. Les inspections endoscopiques du moteur permettent également de déterminer l'occurrence d'un contact, et de compléter la base de données 1300. La base de données 1300 est utilisée pour constituer une base de données 1400 au sol, pour une flotte d'avions. Les données sont envoyées, sous forme de rapports, par message ACARS (Aircraft Communication Addressing and Reporting System) de l'avion vers une infrastructure sol 1500, par exemple. On obtient ainsi une information statistique sur les conditions de survenance des contacts entre rotor et stator dans les réacteurs des avions de la flotte.

Les données de la base de données 1400 sont utilisées pour élaborer un modèle statistique estimant la probabilité de la présence d'un balourd thermique dépassant un certain seuil, ou dont on détermine la valeur numérique, en fonction des conditions. Le modèle peut aussi fournir une valeur numérique du jeu minimal restant entre les sommets des aubes du rotor et la surface interne du stator, en fonction des conditions. Cette base de données 1400 au sol et le modèle prédictif sont ensuite utilisés pour mettre à jour une fonction de prévention des contacts entre rotor et stator dans chaque avion. Dans une variante, c'est un modèle en arbre de régression ou décision qui est utilisé, alors que dans une autre variante, c'est un réseau de neurones. Des modèles physiques peuvent aussi être recalés pour affiner une estimation des valeurs évoquées. Le modèle est modifié régulièrement quand des informations nouvelles sont apportées par un avion de la flotte. Des améliorations sont apportées par une équipe de support 1600, si cela est nécessaire.

En figure 4, on a détaillé le fonctionnement du dispositif pour la prévention des contacts entre rotor et stator, lors de la surveillance des conditions de balourd thermique pour un appareil donné, le dispositif ayant été alimenté avec des données issues d'une phase d'apprentissage. Dans le FADEC 1000, les algorithmes du modèle obtenu par l'expérience, issu de la phase d'apprentissage, permettent, via un calculateur, l'estimation des jeux instantanés entre le rotor et le stator, et sur cette base de déterminer si un démarrage imminent est sujet à des conditions de balourd thermique. Il peut aussi déterminer les intervalles de temps pendant lesquels le démarrage est recommandé, [tO ; fi] U [t2 ; +cob sachant qu'entre tl et t2 le démarrage n'est pas conseillé. Il génère un rapport à destination du pilote. Le modèle est mis en oeuvre en utilisant les informations issues des capteurs 1100, et qui ont été énumérées plus haut, notamment les informations thermiques. Il utilise aussi le temps écoulé depuis le dernier 10 démarrage, et/ou le temps écoulé depuis le dernier arrêt. Une fois le moteur arrêté, le modèle est interrogé de manière périodique et indique si les conditions d'un démarrage hors situation de balourd thermique sont réunies. Le modèle fournit également avant démarrage une estimation des valeurs de tl et t2, tels que définis plus haut. Ces 15 informations sont transmises à un système embarqué en liaison avec le cockpit. Dans un mode de réalisation, le procédé a un effet informatif mais laisse la main au pilote pour prendre la décision de redémarrage du moteur. L'information est transmise par une interface homme-machine au pilote, 20 et peut notamment être affichée sur le MCDU (Multipurpose Contrai Display Unit ou unité d'affichage de contrôle à usage multiple) 1700, et prendre l'une des formes suivantes : « Probabilité forte de balourd thermique : démarrage non recommandé », « Probabilité faible de balourd thermique : démarrage hors conditions de 25 balourd thermique », ou « Prochain créneau de démarrage sans risque de contact rotor/stator: Ainsi elle peut prendre la forme d'une alerte si les conditions de balourd thermique sont réunies, ou de fourniture, au cockpit, de l'information du 30 prochain créneau de démarrage conseillé.

En deuxième mode de réalisation, éventuellement combinable avec le premier, l'invention comprend un système interdisant tout redémarrage, ou restreignant la faculté du pilote de commander un redémarrage en cas de balourd thermique.

En résumé, l'invention, dans le mode de réalisation présenté, comprend une phase d'apprentissage mise en oeuvre lors de chaque démarrage avec constitution d'une ou plusieurs bases de données et mise au point d'un algorithme d'aide à la décision avant démarrage, et une phase de surveillance, exécutée en parallèle pendant l'exploitation de chaque appareil, dès qu'un modèle prédictif a pu être mis au point sur la base des données disponibles. Le modèle prédictif est mis à jour régulièrement et enrichi avec des nouvelles données issues du processus d'apprentissage. L'apprentissage et la surveillance se déroulent ensemble et de manière continue. Ainsi, la représentation de la figure 4 n'est qu'une sous-partie de la représentation de la figure 2. Le dispositif de surveillance, au lieu d'être alimenté par des données issues d'une phase d'apprentissage menée à l'échelle d'une flotte, peut aussi être alimenté avec des données issues d'une modélisation et de simulations informatiques, permettant de la même manière de déterminer la présence d'une ou plusieurs conditions de présence d'un balourd thermique. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais s'étend aux variantes dans le cadre des revendications.25

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif avionique (1000) pour la surveillance d'une turbomachine (1200) pour aéronef, comprenant des moyens de reconnaissance d'au moins une condition de présence d'un balourd thermique sur un rotor de la turbomachine après l'arrêt de celle-ci, pour un éventuel processus de redémarrage.
2. Dispositif avionique selon la revendication 1, qui informe le pilote, et contrôle ou ne contrôle pas le processus de démarrage.
3. Dispositif avionique selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant de plus des moyens d'estimation d'un créneau temporel au cours duquel un balourd thermique est présent.
4. Dispositif avionique selon l'une des revendications précédentes dans lequel une aide à la décision de démarrage est fournie (1700) au pilote.
5. Dispositif avionique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une base de données (1300) est renseignée avec, pour un démarrage donné, au moins une valeur de balourd observée ou estimée, un instant d'un éventuel contact entre le rotor et le stator, ou un contexte thermique de la turbomachine.
6. Dispositif avionique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une information sur un balourd observé ou estimé à partir des accéléromètres mise en relation avec les éventuels contacts entre le rotor et le stator s'étant produit est transmise à une base de données (1400) au sol, pour un processus d'apprentissage mis en oeuvre à l'échelle d'une flotte.
7. Dispositif avionique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une estimation d'un balourd thermique est faite en utilisant au moins une température mesurée.
8. Dispositif avionique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une estimation d'un balourd thermique est faite en utilisant une pression mesurée.
9. Dispositif avionique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une estimation d'un balourd thermique est faite en utilisant une accélération mesurée.
10. Dispositif avionique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une estimation d'un balourd thermique est faite en utilisant un modèle statistique.
11. Dispositif avionique selon la revendication 10, dans lequel le modèle statistique comprend un arbre de régression ou un réseau de neurones.
12. Dispositif avionique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on estime le jeu entre les sommets des aubes du rotor (100) et le revêtement du stator (200).
13. Procédé de surveillance d'une turbomachine pour aéronef, comprenant une étape de reconnaissance de conditions de présence d'un balourd thermique sur un rotor de la turbomachine après l'arrêt de celle-ci, et une étape de surveillance d'un processus de redémarrage.
14. Procédé de surveillance selon la revendication 13, incluant une estimation du balourd, une détection d'un éventuel contact entre le rotor et le stator à partir d'au moins un accéléromètre, et une alerte au cockpit signalant une présence éventuelle d'une condition de balourd thermique.
15. Programme informatique comprenant des instructions, qui quand elles sont mises en oeuvre par un calculateur de système embarqué avionique, procèdent à l'exécution des étapes d'un procédé selon la revendication 13 ou la revendication 14.