FR3064670A1 - ELECTRIC PRODUCTION INSTALLATION WITH FREE TURBINE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une installation de production électrique (10) pour aéronef comportant un générateur de gaz (12), une turbine libre (20) entraînée en rotation par le flux de gaz généré par le générateur de gaz et une génératrice électrique (14) couplée à la turbine libre. L'invention comporte, en outre, un capteur de vitesse (34) pour mesurer la vitesse de rotation de la turbine libre, un module électrique (38) d'ajustement du couple résistif appliqué par le stator (18) sur le rotor (16) de la génératrice électrique (14) et un dispositif de commande (36) du module électrique configuré pour commander le module électrique en fonction de la vitesse de rotation de la turbine libre.The invention relates to an electrical production plant (10) for an aircraft comprising a gas generator (12), a free turbine (20) driven in rotation by the gas flow generated by the gas generator and an electric generator (14). coupled to the free turbine. The invention further comprises a speed sensor (34) for measuring the rotational speed of the free turbine, an electrical module (38) for adjusting the resistive torque applied by the stator (18) to the rotor (16). ) of the electric generator (14) and a control device (36) of the electrical module configured to control the electric module according to the speed of rotation of the free turbine.
Description
(57) L'invention concerne une installation de production électrique (10) pour aéronef comportant un générateur de gaz (12), une turbine libre (20) entraînée en rotation par le flux de gaz généré par le générateur de gaz et une génératrice électrique (14) couplée à la turbine libre. L'invention comporte, en outre, un capteur de vitesse (34) pour mesurer la vitesse de rotation de la turbine libre, un module électrique (38) d'ajustement du couple résistif appliqué par le stator (18) sur le rotor (16) de la génératrice électrique (14) et un dispositif de commande (36) du module électrique configuré pour commander le module électrique en fonction de la vitesse de rotation de la turbine libre.(57) The invention relates to an electrical production installation (10) for aircraft comprising a gas generator (12), a free turbine (20) rotated by the gas flow generated by the gas generator and an electric generator. (14) coupled to the free turbine. The invention further comprises a speed sensor (34) for measuring the speed of rotation of the free turbine, an electrical module (38) for adjusting the resistive torque applied by the stator (18) to the rotor (16 ) of the electric generator (14) and a control device (36) of the electric module configured to control the electric module as a function of the speed of rotation of the free turbine.
Arrière-plan de l'inventionInvention background
La présente invention concerne le domaine des sources auxiliaires de puissance pour aéronefs tels des avions, des hélicoptères ou tout autre type d'engin volant.The present invention relates to the field of auxiliary power sources for aircraft such as airplanes, helicopters or any other type of flying object.
On connaît des générateurs auxiliaires de puissance mono-arbre pour aéronef, comportant un générateur de gaz dont l'arbre entraîne directement en rotation le rotor d'une génératrice électrique.Auxiliary single-shaft power generators for aircraft are known, comprising a gas generator whose shaft directly rotates the rotor of an electric generator.
Traditionnellement, le générateur de gaz comporte au moins un compresseur et une turbine qui sont liés en rotation sur un même arbre, la turbine étant alors dite liée. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'air frais entrant dans le compresseur est comprimé du fait de la rotation du compresseur avant d'être envoyé vers une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant. Les gaz brûlés et détendus du fait de la combustion sont ensuite évacués à grande vitesse vers la turbine liée.Traditionally, the gas generator comprises at least one compressor and one turbine which are linked in rotation on the same shaft, the turbine being then said to be linked. The operating principle is as follows: the fresh air entering the compressor is compressed due to the rotation of the compressor before being sent to a combustion chamber where it is mixed with a fuel. The burnt and expanded gases due to the combustion are then discharged at high speed to the linked turbine.
Il se produit alors un transfert de la puissance des gaz détendus vers la turbine liée, restituée sous la forme d'un couple mécanique sur l'arbre, dont une partie permet le maintien en rotation du compresseur et dont l'autre partie permet d'entraîner un organe récepteur, tel le rotor d'un hélicoptère ou le rotor d'une génératrice électrique.There is then a transfer of the power of the expanded gases to the linked turbine, restored in the form of a mechanical torque on the shaft, one part of which keeps the compressor in rotation and the other part of which allows drive a receiving member, such as the rotor of a helicopter or the rotor of an electric generator.
Toutefois, cette utilisation répartie du couple ne permet pas une optimisation de la consommation du carburant et, par conséquent, n'offre pas un bon rendement.However, this distributed use of the torque does not allow an optimization of the fuel consumption and, consequently, does not offer a good yield.
Objet et résumé de l'inventionSubject and summary of the invention
Un but de la présente invention est de proposer une installation de production électrique pour un aéronef, remédiant aux inconvénients précités et permettant notamment de subvenir aux besoins de l'aéronef en énergie électrique tout en améliorant l'efficacité de la production d'énergie électrique.An object of the present invention is to provide an electrical production installation for an aircraft, overcoming the aforementioned drawbacks and in particular making it possible to meet the needs of the aircraft in electrical energy while improving the efficiency of the production of electrical energy.
Pour ce faire, l'invention porte sur une installation de production électrique pour un aéronef ayant un réseau électrique, ladite installation de production électrique comprenant :To do this, the invention relates to an electrical production installation for an aircraft having an electrical network, said electrical production installation comprising:
• un générateur de gaz ;• a gas generator;
• une turbine libre entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz, la turbine libre ayant un arbre ;• a free turbine driven in rotation by a gas flow generated by the gas generator, the free turbine having a shaft;
• une génératrice électrique comportant un stator connecté électriquement au réseau électrique et un rotor entraîné en rotation par l'arbre de la turbine libre, le stator appliquant un couple résistif sur le rotor de la génératrice électrique ;• an electric generator comprising a stator electrically connected to the electrical network and a rotor driven in rotation by the shaft of the free turbine, the stator applying a resistive torque to the rotor of the electric generator;
• un capteur de vitesse pour mesurer la vitesse de rotation de la turbine libre ;• a speed sensor to measure the speed of rotation of the free turbine;
• un module électrique d'ajustement dudit couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique, le module électrique étant connecté au stator de la génératrice électrique ; et • un dispositif de commande du module électrique configuré pour commander le module électrique en fonction de la vitesse de rotation de la turbine libre mesurée par le capteur de vitesse.• an electric module for adjusting said resistive torque applied to the rotor of the electric generator, the electric module being connected to the stator of the electric generator; and • an electrical module control device configured to control the electrical module as a function of the speed of rotation of the free turbine measured by the speed sensor.
Le générateur de gaz comporte un compresseur et une turbine liée. La turbine liée du générateur de gaz n'absorbe pas toute l'énergie cinétique des gaz brûlés et l'excédent d'énergie cinétique correspond au flux de gaz généré par le générateur de gaz.The gas generator includes a compressor and a linked turbine. The linked turbine of the gas generator does not absorb all the kinetic energy of the burnt gases and the excess kinetic energy corresponds to the flow of gas generated by the gas generator.
Ce dernier fournit donc de l'énergie cinétique à la turbine libre de sorte qu'il se produit une seconde détente dans la turbine libre qui transforme cette énergie cinétique en énergie mécanique afin d'entraîner l'arbre de la turbine libre en rotation.The latter therefore supplies kinetic energy to the free turbine so that there is a second expansion in the free turbine which transforms this kinetic energy into mechanical energy in order to drive the shaft of the free turbine in rotation.
Selon l'invention, l'arbre de la turbine libre est couplé au rotor de la génératrice électrique, de sorte que ce dernier est également entraîné en rotation lors du fonctionnement du générateur de gaz. Ceci permet à la génératrice électrique de transformer l'énergie mécanique de rotation, provenant de l'arbre de la turbine libre, en énergie électrique afin d'alimenter le réseau électrique de l'aéronef.According to the invention, the shaft of the free turbine is coupled to the rotor of the electric generator, so that the latter is also rotated during the operation of the gas generator. This allows the electric generator to transform the mechanical energy of rotation, coming from the shaft of the free turbine, into electrical energy in order to supply the electrical network of the aircraft.
On comprend donc que l'arbre de la turbine libre n'est pas relié à l'arbre du générateur de gaz.It is therefore understood that the shaft of the free turbine is not connected to the shaft of the gas generator.
La génératrice électrique est ici connectée électriquement au réseau électrique de l'aéronef de sorte que l'installation selon l'invention est particulièrement adaptée aux avions, dans lesquels il est nécessaire d'utiliser des dispositifs de production d'énergie électrique auxiliaires pour subvenir aux forts besoins en électricité de l'appareil.The electric generator is here electrically connected to the electrical network of the aircraft so that the installation according to the invention is particularly suitable for airplanes, in which it is necessary to use auxiliary electrical energy production devices to provide for the high electricity requirements of the device.
Par réseau électrique, on entend l'ensemble des dispositifs électriques de l'aéronef, susceptibles de consommer de l'énergie électrique et étant connectés entre eux. Le réseau électrique peut comprendre, par exemple, la motorisation principale de l'aéronef, divers actionneurs ou encore les circuits de chauffage ou d'éclairage de l'aéronef.By electrical network is meant all of the electrical devices of the aircraft, capable of consuming electrical energy and being connected to each other. The electrical network may include, for example, the main engine of the aircraft, various actuators or the heating or lighting circuits of the aircraft.
La génératrice électrique prélève une partie de l'énergie cinétique de rotation sur l'arbre de la turbine libre. Aussi, un couple résistif est appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique et donc indirectement par le stator de la génératrice électrique sur l'arbre de la turbine libre. Ce couple résistif est orienté de façon opposée au sens de rotation du rotor de la génératrice électrique et de celui de l'arbre de la turbine libre.The electric generator takes part of the kinetic energy of rotation on the shaft of the free turbine. Also, a resistive torque is applied by the stator on the rotor of the electric generator and therefore indirectly by the stator of the electric generator on the shaft of the free turbine. This resistive torque is oriented opposite to the direction of rotation of the rotor of the electric generator and that of the shaft of the free turbine.
La génératrice électrique étant connectée électriquement au réseau électrique de l'aéronef, elle est soumise aux variations de charge pouvant apparaître sur ledit réseau électrique.The electric generator being electrically connected to the electrical network of the aircraft, it is subjected to load variations which may appear on said electrical network.
Les inventeurs ont constaté que la faible inertie de l'ensemble constitué par la turbine libre, son arbre et la génératrice électrique implique qu'une variation brusque de la demande en énergie électrique du réseau électrique sur la génératrice électrique entraîne une forte variation du couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique. Ces variations ont pour conséquence d'augmenter ou réduire de manière significative la vitesse de rotation de la turbine libre.The inventors have found that the low inertia of the assembly constituted by the free turbine, its shaft and the electric generator implies that an abrupt variation in the electrical energy demand of the electric network on the electric generator leads to a strong variation in the resistive torque. applied to the rotor of the electric generator. These variations have the consequence of significantly increasing or reducing the speed of rotation of the free turbine.
Dans cette situation, la vitesse de rotation de la turbine libre n'est plus contrôlée alors qu'il est nécessaire de la faire tendre rapidement vers sa valeur nominale.In this situation, the speed of rotation of the free turbine is no longer controlled while it is necessary to make it tend quickly to its nominal value.
Par la suite, le terme « vitesse nominale » de rotation de la turbine libre fera référence à une vitesse de rotation idéale prédéterminée de la turbine libre, garantissant son rendement optimal et une production d'énergie électrique par la génératrice électrique suffisante pour subvenir à la demande électrique, en fonctionnement normal de l'installation de production électrique, c'est-à-dire hors incidents.Subsequently, the term “nominal speed” of rotation of the free turbine will refer to a predetermined ideal rotation speed of the free turbine, guaranteeing its optimum efficiency and a production of electrical energy by the electric generator sufficient to provide for the electrical demand, during normal operation of the electrical production installation, i.e. without incidents.
Ainsi, lorsque la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique chute soudainement, par exemple en cas de panne sur le réseau électrique de l'aéronef, le couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique et donc sur l'arbre de la turbine libre diminue fortement et la turbine libre présente alors une vitesse de rotation excessive. En d'autres mots, la turbine libre entre en survitesse, ce qui est susceptible de l'endommager.Thus, when the demand for electrical energy on the electrical generator suddenly drops, for example in the event of a breakdown on the electrical network of the aircraft, the resistive torque applied by the stator to the rotor of the electrical generator and therefore to the shaft. of the free turbine decreases sharply and the free turbine then has an excessive speed of rotation. In other words, the free turbine goes into overspeed, which is liable to damage it.
Inversement, lorsque la demande en énergie électrique augmente de manière subite, le couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique augmente et la turbine libre est freinée de manière trop importante, entraînant une surchauffe du générateur de gaz et de la turbine libre, ce qui risque également de les endommager.Conversely, when the demand for electrical energy increases suddenly, the resistive torque applied by the stator to the rotor of the electric generator increases and the free turbine is braked too much, causing the gas generator and the turbine to overheat. free, which can also damage them.
On comprend que, selon l'invention, le capteur de vitesse permet de fournir au dispositif de commande une valeur instantanée de la vitesse de rotation de la turbine libre. En fonction de cette valeur de vitesse de rotation instantanée, le module électrique est commandé par le dispositif de commande de manière à adapter le couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique en fonction de la vitesse mesurée, afin de contrôler la vitesse de rotation de la turbine libre. L'invention permet donc de ramener la vitesse de rotation de la turbine libre vers sa valeur nominale.It is understood that, according to the invention, the speed sensor makes it possible to supply the control device with an instantaneous value of the speed of rotation of the free turbine. Depending on this instantaneous speed value, the electric module is controlled by the control device so as to adapt the resistive torque applied to the rotor of the electric generator according to the measured speed, in order to control the speed of rotation. of the free turbine. The invention therefore makes it possible to reduce the speed of rotation of the free turbine to its nominal value.
Autrement dit, l'invention permet de contrôler rapidement la vitesse de rotation de la turbine libre, en agissant directement sur l'arbre de ladite turbine libre et non plus uniquement par ajustement du débit de carburant injecté dans la chambre de combustion du générateur de gaz. Ceci permet une gestion efficace de la production d'énergie électrique et de la consommation en carburant. Le rendement de l'installation est donc amélioré. La consommation en carburant étant réduite, l'impact sur l'environnement s'en trouve diminué. De plus, la survitesse de la turbine en cas de panne du réseau électrique est notamment contenue.In other words, the invention makes it possible to quickly control the speed of rotation of the free turbine, by acting directly on the shaft of said free turbine and no longer solely by adjusting the flow of fuel injected into the combustion chamber of the gas generator. . This allows efficient management of electrical energy production and fuel consumption. The efficiency of the installation is therefore improved. As fuel consumption is reduced, the impact on the environment is reduced. In addition, the overspeed of the turbine in the event of a power grid failure is notably contained.
De préférence, et de manière non limitative, en cas de forte variation de la demande en énergie électrique et donc du couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique, une consigne peut être envoyée au générateur de gaz afin d'adapter l'alimentation en carburant de la chambre de combustion, de manière à rétablir la vitesse de rotation de la turbine libre à sa valeur nominale.Preferably, and in a nonlimiting manner, in the event of a large variation in the demand for electrical energy and therefore in the resistive torque applied by the stator to the rotor of the electric generator, a setpoint can be sent to the gas generator in order to adapt the fuel supply to the combustion chamber, so as to restore the speed of rotation of the free turbine to its nominal value.
Dans cette situation, l'invention permet de maîtriser sans délai la vitesse de rotation de la turbine libre avant que le générateur n'atteigne le nouveau régime de fonctionnement adéquat, après quoi la gestion de la vitesse de rotation de la turbine libre est régulée par augmentation ou réduction du débit de carburant injecté.In this situation, the invention makes it possible to immediately control the speed of rotation of the free turbine before the generator reaches the new adequate operating speed, after which the management of the speed of rotation of the free turbine is regulated by increase or reduction in the flow of fuel injected.
De manière avantageuse, le dispositif de commande est configuré pour commander le module électrique selon un premier mode de commande dans lequel le module électrique agit comme une charge électrique ou selon un deuxième mode de commande dans lequel le module électrique agit comme une source d'énergie électrique.Advantageously, the control device is configured to control the electrical module according to a first control mode in which the electrical module acts as an electrical load or according to a second control mode in which the electrical module acts as an energy source electric.
On entend ici par « charge électrique » tout composant ou dispositif connecté électriquement à un circuit et susceptible de consommer de l'énergie électrique. En d'autres mots, la charge électrique est un consommateur d'énergie électrique.The term “electrical charge” is understood here to mean any component or device electrically connected to a circuit and capable of consuming electrical energy. In other words, the electrical charge is a consumer of electrical energy.
Un intérêt est de palier les deux incidents pouvant se produire : une chute soudaine ou une augmentation soudaine de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique.An interest is to overcome the two incidents that can occur: a sudden fall or a sudden increase in the demand for electrical energy on the electric generator.
Dans le cas d'une chute soudaine de la demande en énergie électrique causée, par exemple, par une panne sur le réseau électrique de l'aéronef, le capteur de vitesse mesure une augmentation de la vitesse de rotation de la turbine libre, due à une diminution du couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique. Le module électrique est alors commandé selon le premier mode de commande, dans lequel il est configuré pour se comporter comme une charge électrique connectée au stator de la génératrice électrique.In the event of a sudden drop in demand for electrical energy caused, for example, by a breakdown in the aircraft's electrical network, the speed sensor measures an increase in the speed of rotation of the free turbine, due to a reduction in the resistive torque applied to the rotor of the electric generator. The electrical module is then controlled according to the first control mode, in which it is configured to behave like an electrical load connected to the stator of the electric generator.
En d'autres termes, selon le premier mode de commande, tout se passe comme si on avait connecté électriquement à la génératrice électrique un composant destiné à consommer une partie de l'énergie électrique qu'elle fournit et ainsi compenser la faible demande du réseau électrique en énergie électrique. Ceci se traduit par une augmentation du couple résistif, ce qui permet de limiter l'augmentation de la vitesse de rotation de la turbine libre, de stabiliser la vitesse de rotation de la turbine libre, ou même de freiner la turbine libre.In other words, according to the first control mode, everything happens as if we had electrically connected to the electric generator a component intended to consume part of the electric energy which it supplies and thus compensate for the low demand of the network. electric into electric energy. This results in an increase in the resistive torque, which makes it possible to limit the increase in the speed of rotation of the free turbine, to stabilize the speed of rotation of the free turbine, or even to brake the free turbine.
Inversement, dans le cas d'une augmentation soudaine de la demande en énergie électrique causée, par exemple, par une accélération importante de moteurs électriques de l'aéronef ou par l'activation de circuits électriques, par exemple du circuit de chauffage ou d'éclairage, le capteur de vitesse mesure une diminution de la vitesse de rotation de la turbine libre, due à une augmentation du couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique. Le module électrique est alors commandé selon le deuxième mode de commande, dans lequel il est configuré pour se comporter comme une source d'énergie électrique.Conversely, in the case of a sudden increase in the demand for electrical energy caused, for example, by a significant acceleration of the aircraft's electric motors or by the activation of electrical circuits, for example the heating or lighting, the speed sensor measures a decrease in the speed of rotation of the free turbine, due to an increase in the resistive torque applied to the rotor of the electric generator. The electrical module is then controlled according to the second control mode, in which it is configured to behave like a source of electrical energy.
En d'autres termes, selon le deuxième mode de commande, tout se passe comme si on avait connecté électriquement à la génératrice électrique un composant destiné à apporter une quantité d'énergie électrique supplémentaire au réseau électrique, s'ajoutant à celle fournie par la génératrice électrique, afin d'assister cette dernière. Ceci se traduit par une diminution du couple résistif, ce qui permet de limiter la diminution de la vitesse de rotation de la turbine libre, de stabiliser la vitesse de rotation de la turbine libre ou même d'accélérer la turbine libre.In other words, according to the second control mode, everything takes place as if one had electrically connected to the electric generator a component intended to bring a quantity of additional electric energy to the electric network, adding to that provided by the electric generator, to assist the latter. This results in a reduction in the resistive torque, which makes it possible to limit the reduction in the speed of rotation of the free turbine, to stabilize the speed of rotation of the free turbine or even to accelerate the free turbine.
Avantageusement, dans le premier mode de commande, le module électrique agit comme une charge électrique lorsque la vitesse de rotation mesurée de la turbine libre est supérieure à un premier seuil haut prédéterminé, afin d'augmenter le couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique.Advantageously, in the first control mode, the electrical module acts as an electrical charge when the measured rotational speed of the free turbine is greater than a first predetermined high threshold, in order to increase the resistive torque applied to the generator rotor. electric.
On comprend que lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre, mesurée par le capteur de vitesse, est supérieure au premier seuil haut, et donc que la turbine libre est en situation de survitesse, le dispositif de commande est configuré pour commander le module électrique afin qu'il agisse comme une charge électrique, c'est-à-dire comme un consommateur d'énergie électrique. De cette manière, le couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique et donc sur l'arbre de la turbine libre augmente. Cela a pour effet de limiter l'augmentation de la vitesse de rotation de la turbine libre, de préférence la stabiliser, encore de préférence, de freiner la turbine libre. On réduit ainsi, de manière contrôlée, la vitesse de rotation de la turbine libre.It is understood that when the speed of rotation of the free turbine, measured by the speed sensor, is greater than the first high threshold, and therefore that the free turbine is in an overspeed situation, the control device is configured to control the electrical module so that it acts as an electrical charge, i.e. as a consumer of electrical energy. In this way, the resistive torque applied by the stator to the rotor of the electric generator and therefore to the shaft of the free turbine increases. This has the effect of limiting the increase in the speed of rotation of the free turbine, preferably stabilizing it, more preferably, braking the free turbine. The speed of rotation of the free turbine is thus reduced in a controlled manner.
De préférence, la commande du module électrique selon le premier mode de commande s'accompagne d'une diminution du régime du générateur de gaz. Le premier mode de commande peut donc, par exemple, permettre de contrôler la vitesse de rotation de la turbine libre jusqu'à ce que le générateur de gaz parvienne au nouveau régime, prenne le relai et se comporte de nouveau de manière autonome.Preferably, the control of the electrical module according to the first control mode is accompanied by a reduction in the speed of the gas generator. The first control mode can therefore, for example, make it possible to control the speed of rotation of the free turbine until the gas generator reaches the new speed, takes over and behaves again autonomously.
Le premier seuil haut prédéterminé peut être, par exemple, une valeur de vitesse de rotation au-delà de laquelle ramener la vitesse de rotation de la turbine libre à son niveau nominal impliquerait de réduire le flux de carburant injecté et serait susceptible de provoquer l'extinction de la combustion dans la chambre du générateur de gaz. Le premier seuil haut peut par exemple correspondre à une vitesse de rotation de la turbine libre égale à 105% de la vitesse de rotation nominale de la turbine libre. Le premier seuil haut peut être réglé en fonction des conditions d'utilisation. Le module électrique agit comme une charge électrique jusqu'à l'obtention d'une vitesse de rotation de la turbine libre inférieure au premier seuil haut et/ou jusqu'à la mise en place du nouveau régime du générateur de gaz.The first predetermined high threshold may be, for example, a speed value above which bringing the speed of rotation of the free turbine back to its nominal level would involve reducing the flow of fuel injected and would be likely to cause the extinction of combustion in the chamber of the gas generator. The first high threshold may for example correspond to a speed of rotation of the free turbine equal to 105% of the nominal speed of rotation of the free turbine. The first high threshold can be adjusted according to the conditions of use. The electrical module acts as an electrical charge until a speed of rotation of the free turbine is lower than the first high threshold and / or until the new regime of the gas generator is put in place.
En particulier, en commandant le module électrique, suivant le premier mode de commande, au-delà du premier seuil haut prédéterminé, on évite le risque d'une extinction intempestive de la combustion dans la chambre du générateur de gaz et donc l'indisponibilité de la source de puissance auxiliaire, pendant une période de rallumage du générateur de gaz. Aussi, un dépassement du premier seuil haut traduit une augmentation accidentelle et flagrante de la vitesse de rotation de la turbine libre.In particular, by controlling the electrical module, according to the first control mode, beyond the first predetermined high threshold, the risk of an inadvertent extinction of combustion in the chamber of the gas generator is avoided and therefore the unavailability of the auxiliary power source, during a re-ignition period of the gas generator. Also, exceeding the first high threshold indicates an accidental and flagrant increase in the speed of rotation of the free turbine.
De préférence, le module électrique agissant comme une charge électrique comprend au moins une résistance chauffante. L'intérêt est d'utiliser une charge électrique peu coûteuse, capable de consommer rapidement une quantité d'énergie par effet joule, la quantité d'énergie consommée étant conditionnée notamment par le choix de la valeur de la résistance. Sans sortir du cadre de l'invention, le module électrique peut comprendre une résistance chauffante variable, un banc de résistances ou tout autre dispositif permettant de consommer de l'énergie par effet joule. Cette résistante chauffante peut par exemple servir à chauffer l'habitacle de l'aéronef.Preferably, the electrical module acting as an electrical charge comprises at least one heating resistor. The advantage is to use an inexpensive electric charge, capable of rapidly consuming a quantity of energy by the Joule effect, the quantity of energy consumed being conditioned in particular by the choice of the value of the resistance. Without departing from the scope of the invention, the electrical module may include a variable heating resistance, a resistance bank or any other device making it possible to consume energy by the Joule effect. This heating resistor can for example be used to heat the passenger compartment of the aircraft.
Préférentiellement, le générateur de gaz comprend un compresseur et ladite au moins une résistance chauffante est disposée en sortie du compresseur pour augmenter la température de l'air comprimé sortant du compresseur. On utilise ainsi astucieusement l'énergie calorique produite par la charge électrique afin de chauffer l'air comprimé. Cette augmentation de la température améliore les caractéristiques thermodynamiques de la chambre de combustion ce qui réduit la consommation en carburant nécessaire au fonctionnement du générateur de gaz.Preferably, the gas generator comprises a compressor and said at least one heating resistor is disposed at the outlet of the compressor to increase the temperature of the compressed air leaving the compressor. One thus cleverly uses the caloric energy produced by the electric charge in order to heat the compressed air. This increase in temperature improves the thermodynamic characteristics of the combustion chamber, which reduces the fuel consumption necessary for the operation of the gas generator.
Selon un aspect particulièrement avantageux, le module électrique agissant comme une charge électrique comprend au moins un dispositif de stockage d'énergie électrique, de préférence une super capacité. En plus de permettre la réduction de la vitesse de rotation de la turbine libre, un autre intérêt est de pouvoir stocker une partie de l'énergie fournie par la génératrice électrique et de stocker cette énergie électrique pour un usage ultérieur. Cette énergie électrique accumulée pourra être réutilisée, par exemple, par les dispositifs électriques de l'aéronef lorsqu'ils auront besoin de cette énergie électrique.According to a particularly advantageous aspect, the electrical module acting as an electrical charge comprises at least one device for storing electrical energy, preferably a super capacity. In addition to allowing the reduction of the speed of rotation of the free turbine, another advantage is to be able to store part of the energy supplied by the electric generator and to store this electric energy for later use. This accumulated electrical energy can be reused, for example, by the electrical devices of the aircraft when they need this electrical energy.
De manière non limitative, le dispositif de stockage peut également être une batterie, un condensateur ou tout autre composant pouvant emmagasiner et restituer une énergie électrique.Without limitation, the storage device can also be a battery, a capacitor or any other component capable of storing and restoring electrical energy.
Dans le premier mode de commande, le dispositif de stockage fonctionne en récepteur, c'est-à-dire qu'il accumule l'énergie électrique.In the first control mode, the storage device functions as a receiver, that is to say that it accumulates electrical energy.
Avantageusement, dans le deuxième mode de commande, le module électrique agit comme une source d'énergie électrique lorsque la vitesse de rotation mesurée de la turbine libre est inférieure à un seuil bas prédéterminé, afin de diminuer le couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique.Advantageously, in the second control mode, the electrical module acts as a source of electrical energy when the measured rotation speed of the free turbine is less than a predetermined low threshold, in order to reduce the resistive torque applied to the rotor of the electric generator.
On comprend que lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre est inférieure au seuil bas, un ordre de commande est transmis par le dispositif de commande au module électrique, afin qu'il agisse comme une source d'énergie électrique, de sorte à fournir une énergie électrique supplémentaire au réseau électrique permettant de limiter la quantité d'énergie électrique à prélever sur la génératrice électrique pour subvenir à la demande en énergie électrique du réseau électrique de l'aéronef. Le couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique et donc sur l'arbre de la turbine libre diminue. On limite ainsi, de manière contrôlée, la chute de la vitesse de rotation de la turbine libre.It is understood that when the speed of rotation of the free turbine is less than the low threshold, a control order is transmitted by the control device to the electrical module, so that it acts as a source of electrical energy, so as to provide additional electrical energy to the electrical network making it possible to limit the amount of electrical energy to be taken from the electrical generator to meet the demand for electrical energy from the electrical network of the aircraft. The resistive torque applied by the stator to the rotor of the electric generator and therefore to the shaft of the free turbine decreases. This limits the fall in the speed of rotation of the free turbine in a controlled manner.
Le seuil bas prédéterminé peut par exemple être une valeur de vitesse de rotation en-dessous de laquelle la turbine libre entraîne le rotor de la génératrice électrique à une vitesse de rotation insuffisante pour produire l'énergie électrique garantissant le bon fonctionnement de l'aéronef et de ses dispositifs électriques. De préférence, afin d'assister la génératrice électrique, la commande du module électrique selon le deuxième mode de commande s'accompagne d'une augmentation du régime du générateur de gaz.The predetermined low threshold may for example be a speed of rotation value below which the free turbine drives the rotor of the electric generator at a speed of rotation insufficient to produce electrical energy guaranteeing the proper functioning of the aircraft and of its electrical devices. Preferably, in order to assist the electric generator, the control of the electric module according to the second control mode is accompanied by an increase in the speed of the gas generator.
Sous le seuil bas, le module électrique agit comme une source d'énergie électrique, par exemple jusqu'à l'obtention d'une vitesse de rotation de la turbine libre supérieure au seuil bas et/ou jusqu'à la mise en place du nouveau régime du générateur de gaz.Below the low threshold, the electrical module acts as a source of electrical energy, for example until a speed of rotation of the free turbine is greater than the low threshold and / or until the installation of the new gas generator regime.
Le seuil bas peut par exemple correspondre à une vitesse de rotation de la turbine libre égale à 80% de la vitesse de rotation nominale de la turbine libre.The low threshold may for example correspond to a speed of rotation of the free turbine equal to 80% of the nominal speed of rotation of the free turbine.
En outre, ce contrôle de la vitesse de rotation de la turbine libre, à l'aide du module électrique agissant comme une source d'énergie électrique, permet, en parallèle, d'augmenter lentement le régime du générateur de gaz. Ceci évite une suralimentation en carburant et une surchauffe du compresseur de gaz, tout en réduisant la consommation de carburant.In addition, this control of the speed of rotation of the free turbine, using the electrical module acting as a source of electrical energy, makes it possible, in parallel, to slowly increase the speed of the gas generator. This prevents overfueling and overheating of the gas compressor, while reducing fuel consumption.
De manière particulièrement avantageuse, le module électrique agissant comme une source d'énergie électrique comprend ledit au moins un dispositif de stockage d'énergie électrique. On comprend que ledit au moins un dispositif de stockage restitue tout ou partie de l'énergie électrique qu'il a stockée lors d'une situation de vitesse excessive de la turbine libre, afin de soulager la génératrice électrique et de limiter le couple résistif. Ledit au moins un dispositif de stockage fonctionne donc en source électrique alimentant le réseau électrique de l'aéronef.In a particularly advantageous manner, the electrical module acting as a source of electrical energy comprises said at least one device for storing electrical energy. It is understood that said at least one storage device restores all or part of the electrical energy which it has stored during a situation of excessive speed of the free turbine, in order to relieve the electric generator and limit the resistive torque. Said at least one storage device therefore operates as an electrical source supplying the electrical network of the aircraft.
Autrement dit, ledit au moins un dispositif de stockage agit comme une charge électrique, dans le premier mode de commande, ou comme une source d'énergie électrique, dans le deuxième mode de commande. Cette polyvalence autorise l'ajustement du couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique, en fonction de la vitesse de rotation de la turbine libre, à l'aide du dispositif de stockage, grâce à quoi on limite le nombre de composants nécessaires à la régulation de la vitesse de rotation de la turbine libre.In other words, said at least one storage device acts as an electrical charge, in the first control mode, or as a source of electrical energy, in the second control mode. This versatility allows the adjustment of the resistive torque applied to the rotor of the electric generator, according to the speed of rotation of the free turbine, using the storage device, whereby the number of components necessary for regulating the speed of rotation of the free turbine.
Par ailleurs, le dispositif de commande permet de maintenir la charge dudit au moins un dispositif de stockage à un niveau intermédiaire, de sorte que sa charge ne soit pas insuffisante pour fournir de l'énergie électrique lorsqu'il agit comme une source de courant électrique, et de sorte qu'il ne soit pas entièrement chargé lorsqu'il est amené à agir comme une charge électrique.Furthermore, the control device makes it possible to maintain the charge of said at least one storage device at an intermediate level, so that its charge is not insufficient to supply electrical energy when it acts as a source of electrical current. , and so that it is not fully charged when caused to act as an electric charge.
L'invention porte également sur un procédé de régulation de la vitesse de rotation de la turbine libre de l'installation de production électrique selon l'invention, comportant un générateur de gaz, une turbine libre ayant un arbre, une génératrice électrique comprenant un rotor et un stator, un module électrique d'ajustement du couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique, connecté électriquement au stator de la génératrice électrique, un dispositif de commande du module électrique et un capteur de vitesse de rotation de la turbine libre, procédé dans lequel :The invention also relates to a method for regulating the speed of rotation of the free turbine of the electrical production installation according to the invention, comprising a gas generator, a free turbine having a shaft, an electric generator comprising a rotor. and a stator, an electric module for adjusting the resistive torque applied to the rotor of the electric generator, electrically connected to the stator of the electric generator, a device for controlling the electric module and a speed sensor of the free turbine, process in which:
• on mesure la vitesse de rotation de la turbine libre à l'aide du capteur de vitesse ;• the rotational speed of the free turbine is measured using the speed sensor;
• on adapte le couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique, relié à l'arbre de la turbine libre, en fonction de la vitesse de rotation de la turbine libre mesurée par le capteur de vitesse.• the resistive torque applied by the stator to the rotor of the electric generator, connected to the shaft of the free turbine, is adapted as a function of the speed of rotation of the free turbine measured by the speed sensor.
De préférence, on commande le module électrique selon un premier mode de commande, afin qu'il agisse comme une charge électrique, ou selon un deuxième mode de commande afin qu'il agisse comme une source d'énergie électrique.Preferably, the electrical module is controlled according to a first control mode, so that it acts as an electrical charge, or according to a second control mode so that it acts as a source of electrical energy.
Selon un premier mode de mise en œuvre, lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre, mesurée par le capteur de vitesse, est supérieure à un premier seuil haut et est inférieure à un second seuil haut on commande le module électrique selon le premier mode de commande de façon à augmenter le couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique.According to a first mode of implementation, when the speed of rotation of the free turbine, measured by the speed sensor, is greater than a first high threshold and is less than a second high threshold, the electrical module is controlled according to the first mode control so as to increase the resistive torque applied by the stator to the rotor of the electric generator.
Le premier seuil haut peut être, par exemple, une valeur de vitesse de rotation prédéterminée au-delà de laquelle ramener la vitesse de rotation de la turbine libre à sa valeur nominale impliquerait de réduire le flux de carburant injecté et serait susceptible de provoquer l'extinction de la chambre du générateur de gaz. Ce seuil peut être égal par exemple à 105% de la vitesse de rotation nominale de la turbine libre.The first high threshold can be, for example, a predetermined speed value above which reducing the speed of rotation of the free turbine to its nominal value would involve reducing the flow of fuel injected and would be likely to cause the gas generator chamber shutdown. This threshold can be equal for example to 105% of the nominal rotation speed of the free turbine.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre, lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre, mesurée par le capteur de vitesse, est supérieure à un second seuil haut :According to a second embodiment, when the speed of rotation of the free turbine, measured by the speed sensor, is greater than a second high threshold:
• on commande le module électrique selon le premier mode de commande, de façon à augmenter le couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique ;• the electric module is controlled according to the first control mode, so as to increase the resistive torque applied by the stator to the rotor of the electric generator;
• on interrompt le fonctionnement du générateur de gaz.• the operation of the gas generator is interrupted.
Le second seuil haut peut être, par exemple, une valeur de vitesse de rotation prédéterminée au-delà de laquelle la turbine libre peut être détruite, par exemple 110% de la vitesse de rotation nominale de la turbine libre. En interrompant le fonctionnement du générateur de gaz, on réduit plus rapidement la vitesse de rotation de la turbine libre et on limite les risques d'endommagement.The second high threshold can be, for example, a predetermined speed value above which the free turbine can be destroyed, for example 110% of the nominal speed of the free turbine. By interrupting the operation of the gas generator, the speed of rotation of the free turbine is reduced more quickly and the risk of damage is limited.
Selon un troisième mode de mise en œuvre, lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre, mesurée par le capteur de vitesse, est inférieure à un seuil bas, on commande le module électrique selon le deuxième mode de commande, de manière à diminuer le couple résistif appliqué sur le rotor de la génératrice électrique.According to a third embodiment, when the speed of rotation of the free turbine, measured by the speed sensor, is less than a low threshold, the electrical module is controlled according to the second control mode, so as to reduce the resistive torque applied to the rotor of the electric generator.
Comme mentionné ci-dessus, le seuil bas peut être, par exemple, une valeur de vitesse de rotation prédéterminée en-dessous de laquelle la turbine libre entraîne le rotor de la génératrice électrique à une vitesse de rotation insuffisante pour produire l'énergie électrique garantissant le bon fonctionnement de l'aéronef et de ses dispositifs électriques, par exemple 80% de la vitesse de rotation nominale de la turbine libre.As mentioned above, the low threshold may be, for example, a predetermined speed value below which the free turbine drives the rotor of the electric generator at a speed of rotation insufficient to produce the electrical energy guaranteeing the proper functioning of the aircraft and its electrical devices, for example 80% of the nominal speed of rotation of the free turbine.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :The invention will be better understood on reading the following description of exemplary embodiments of the invention given by way of nonlimiting examples, with reference to the appended drawings, in which:
- la figure 1 illustre une installation de production électrique selon l'invention, dans laquelle le module électrique est commandé selon un premier mode de commande ;- Figure 1 illustrates an electrical production installation according to the invention, in which the electrical module is controlled according to a first control mode;
- la figure 2 illustre une installation de production électrique selon l'invention, dans laquelle le module électrique est commandé selon un deuxième mode de commande ;- Figure 2 illustrates an electrical production installation according to the invention, in which the electrical module is controlled according to a second control mode;
- la figure 3A illustre un échelon ascendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique ;- Figure 3A illustrates an ascending step of the demand for electrical energy on the electric generator;
- la figure 3B illustre l'évolution du couple résistif appliqué sur le stator de la génératrice électrique en réponse à l'échelon ascendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique ;- Figure 3B illustrates the evolution of the resistive torque applied to the stator of the electric generator in response to the ascending level of the demand for electric energy on the electric generator;
- la figure 3C illustre révolution de la vitesse de rotation de la turbine libre en réponse à l'échelon ascendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique ;- Figure 3C illustrates revolution of the speed of rotation of the free turbine in response to the ascending step of the demand for electrical energy on the electric generator;
- la figure 3D illustre l'évolution de la puissance fournie par le générateur de gaz en réponse à l'échelon ascendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique ;- Figure 3D illustrates the evolution of the power supplied by the gas generator in response to the ascending level of the demand for electric energy on the electric generator;
- la figure 4A illustre un échelon descendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique ;- Figure 4A illustrates a descending step of the demand for electrical energy on the electric generator;
- la figure 4B illustre l'évolution du couple résistif appliqué sur le stator de la génératrice électrique, en réponse à l'échelon descendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique ;- Figure 4B illustrates the evolution of the resistive torque applied to the stator of the electric generator, in response to the downward step of the demand for electric energy on the electric generator;
- la figure 4C illustre la vitesse de rotation de la turbine libre en réponse à l'échelon descendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique ; et- Figure 4C illustrates the speed of rotation of the free turbine in response to the downward step of the demand for electrical energy on the electric generator; and
- la figure 4D illustre l'évolution de la puissance fournie par le générateur de gaz en réponse à l'échelon descendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique.- Figure 4D illustrates the evolution of the power supplied by the gas generator in response to the downward step of the demand for electric energy on the electric generator.
Description détaillée de l'inventionDetailed description of the invention
La figure 1, représente une installation de production électrique 10 pour un aéronef, dénommée unité de puissance auxiliaire, comportant un générateur de gaz 12, une génératrice électrique 14 comportant un rotor 16 et un stator 18, et une turbine libre 20 apte à être entraînée en rotation par un flux de gaz F généré par le générateur de gaz 12.FIG. 1 represents an electrical production installation 10 for an aircraft, called an auxiliary power unit, comprising a gas generator 12, an electric generator 14 comprising a rotor 16 and a stator 18, and a free turbine 20 capable of being driven in rotation by a gas flow F generated by the gas generator 12.
Le générateur de gaz comporte un arbre rotatif 22 sur lequel sont montés un compresseur centrifuge 24 et une turbine liée 26, ainsi qu'une chambre de combustion 28 disposée entre le compresseur centrifuge 24 et la turbine liée 26.The gas generator comprises a rotary shaft 22 on which are mounted a centrifugal compressor 24 and a linked turbine 26, as well as a combustion chamber 28 disposed between the centrifugal compressor 24 and the linked turbine 26.
L'air frais est admis dans l'enceinte du générateur de gaz 12, puis est comprimé par le compresseur centrifuge 24 qui le refoule vers la chambre de combustion 28 dans laquelle il est mélangé avec du carburant.Fresh air is admitted into the enclosure of the gas generator 12, then is compressed by the centrifugal compressor 24 which discharges it towards the combustion chamber 28 in which it is mixed with fuel.
Sur les figures, les flux d'air et de gaz sont représentés par des flèches vides tandis que les flèches pleines schématisent les consommations électriques.In the figures, the air and gas flows are represented by empty arrows while the solid arrows schematize the electrical consumption.
La combustion qui a lieu dans la chambre de combustion 28 provoque l'évacuation à grande vitesse des gaz brûlés vers la turbine liée 26, ce qui a pour effet d'entraîner en rotation l'arbre 22 du générateur de gaz 12 et, par conséquent, le compresseur centrifuge 24. Le générateur de gaz 12 fonctionne donc de manière autonome.The combustion which takes place in the combustion chamber 28 causes the burnt gases to be evacuated at high speed to the linked turbine 26, which has the effect of rotating the shaft 22 of the gas generator 12 and, consequently, , the centrifugal compressor 24. The gas generator 12 therefore operates autonomously.
La vitesse de rotation de l'arbre 22 du générateur de gaz 12 est déterminée par le débit de carburant entrant dans la chambre de combustion 28.The speed of rotation of the shaft 22 of the gas generator 12 is determined by the flow of fuel entering the combustion chamber 28.
Malgré l'extraction d'énergie cinétique par la turbine liée 26, le flux de gaz F sortant du générateur de gaz 12 présente une énergie cinétique significative.Despite the extraction of kinetic energy by the linked turbine 26, the gas flow F leaving the gas generator 12 has significant kinetic energy.
Comme on le comprend à l'aide de la figure 1, le flux de gaz F est dirigé vers la turbine libre 20 ce qui a pour effet de provoquer une détente dans la turbine libre 20 conduisant à la mise en rotation de ladite turbine libre.As can be understood with the help of FIG. 1, the gas flow F is directed towards the free turbine 20 which has the effect of causing an expansion in the free turbine 20 leading to the rotation of said free turbine.
La turbine libre 20 possède un arbre 30 qui est couplé au rotor 16 de la génératrice électrique 14, de sorte à transmettre le mouvement de rotation de la turbine libre au rotor de la génératrice électrique. Cette dernière transforme l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique qu'elle délivre notamment au réseau électrique 32 de l'aéronef.The free turbine 20 has a shaft 30 which is coupled to the rotor 16 of the electric generator 14, so as to transmit the rotational movement of the free turbine to the rotor of the electric generator. The latter transforms the mechanical energy of rotation into electrical energy which it delivers in particular to the electrical network 32 of the aircraft.
En outre, un réducteur 31 est disposé entre l'arbre 30 de la turbine libre 20 et le rotor 16 de la génératrice électrique pour adapter la vitesse de rotation du rotor 16 par rapport à la vitesse de rotation de l'arbre 30.In addition, a reduction gear 31 is placed between the shaft 30 of the free turbine 20 and the rotor 16 of the electric generator to adapt the speed of rotation of the rotor 16 relative to the speed of rotation of the shaft 30.
L'installation comporte en outre un capteur de vitesse 34, pour mesurer la vitesse de rotation de l'arbre 30 de la turbine libre 20. Le capteur de vitesse 34 transmet la valeur de vitesse de rotation instantanée mesurée à un dispositif de commande 36.The installation also includes a speed sensor 34, for measuring the speed of rotation of the shaft 30 of the free turbine 20. The speed sensor 34 transmits the instantaneous measured speed value to a control device 36.
Le dispositif de commande 36 contrôle la répartition et la consommation de l'énergie fournie par la génératrice électrique.The control device 36 controls the distribution and consumption of the energy supplied by the electric generator.
Le stator 18 de la génératrice électrique applique un couple résistif C sur son rotor 16 et donc indirectement sur l'arbre 30 de la turbine libre 20. Ce couple résistif s'oppose au mouvement de rotation de la turbine libre et tend donc à la ralentir.The stator 18 of the electric generator applies a resistive torque C to its rotor 16 and therefore indirectly to the shaft 30 of the free turbine 20. This resistive torque opposes the rotational movement of the free turbine and therefore tends to slow it down .
Il est par ailleurs connu que la demande en énergie électrique, par exemple celle du réseau électrique 32, peut être amenée à augmenter ou chuter brusquement. Auquel cas, le couple résistif C peut respectivement augmenter ou diminuer de manière significative, ce qui entraîne une diminution ou une augmentation de la vitesse de rotation de la turbine libreIt is also known that the demand for electrical energy, for example that of the electrical network 32, may be caused to increase or drop suddenly. In which case, the resistive torque C can respectively increase or decrease significantly, which results in a decrease or an increase in the speed of rotation of the free turbine.
20.20.
Conformément à l'invention, lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre, mesurée par le capteur de vitesse 34, est supérieure à un premier seuil haut ou inférieure à un seuil bas, le dispositif de commande 36 est configuré pour commander un module électrique 38 d'ajustement du couple résistif C appliqué sur le rotor 16 de la génératrice électrique 14. Le module électrique 38 est relié électriquement au stator 18 de la génératrice électrique 14. Le premier seuil haut correspond, par exemple, à une vitesse de rotation de la turbine libre, mesurée par le capteur de vitesse, égale à 105% de la vitesse de rotation nominale de la turbine libre 20. Le seuil bas correspond, par exemple, à une vitesse de rotation de la turbine libre, mesurée par le capteur de vitesse 34, égale à 80% de la vitesse de rotation nominale de la turbine libre.According to the invention, when the speed of rotation of the free turbine, measured by the speed sensor 34, is greater than a first high threshold or less than a low threshold, the control device 36 is configured to control an electrical module 38 for adjusting the resistive torque C applied to the rotor 16 of the electric generator 14. The electric module 38 is electrically connected to the stator 18 of the electric generator 14. The first high threshold corresponds, for example, to a rotation speed of the free turbine, measured by the speed sensor, equal to 105% of the nominal speed of rotation of the free turbine 20. The low threshold corresponds, for example, to a speed of rotation of the free turbine, measured by the speed 34, equal to 80% of the nominal speed of rotation of the free turbine.
Dans le cas d'une chute soudaine de la demande en énergie électrique causée, par exemple, par une panne sur le réseau électrique 32 de l'aéronef, le couple résistif C appliqué sur le rotor de la génératrice électrique diminue, en conséquence de quoi la turbine libre tend à partir brutalement en survitesse. Grâce à l'invention, lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre est supérieure au premier seuil haut, le module électrique 38 est commandé, selon un premier mode de commande, de manière à se comporter comme une charge électrique connectée au stator 18 de la génératrice électrique.In the event of a sudden drop in the demand for electrical energy caused, for example, by a breakdown in the electrical network 32 of the aircraft, the resistive torque C applied to the rotor of the electric generator decreases, as a result of which the free turbine tends to start suddenly in overspeed. Thanks to the invention, when the speed of rotation of the free turbine is greater than the first high threshold, the electrical module 38 is controlled, according to a first control mode, so as to behave like an electrical load connected to the stator 18 of the electric generator.
Une installation de production électrique 10 munie d'un module électrique 38 commandé selon ce premier mode de commande est représentée en figure 1. Le module électrique 38 consomme une partie de l'énergie électrique fournie par la génératrice électrique 14, de manière à augmenter le couple résistif sur le rotor 16 de la génératrice électrique 14, ce qui a pour conséquence de limiter l'augmentation de la vitesse de rotation de la turbine libre 20 et, de préférence, de freiner la turbine libre 20.An electrical production installation 10 provided with an electrical module 38 controlled according to this first control mode is shown in FIG. 1. The electrical module 38 consumes part of the electrical energy supplied by the electrical generator 14, so as to increase the resistive torque on the rotor 16 of the electric generator 14, which has the consequence of limiting the increase in the speed of rotation of the free turbine 20 and, preferably, of braking the free turbine 20.
Dans l'exemple non limitatif de la figure 1, le module électrique est composé d'une paire de résistances chauffantes 40, disposées en sortie du compresseur 24 et d'un dispositif de stockage 42, telle une super-capacité.In the nonlimiting example of FIG. 1, the electrical module is composed of a pair of heating resistors 40, arranged at the outlet of the compressor 24 and of a storage device 42, such as a super-capacity.
Les résistances chauffantes 40 et le dispositif de stockage 42 constituent des charges électriques destinées à consommer une partie de l'énergie électrique fournie par la génératrice électrique 14 et donc à consommer une partie de l'énergie cinétique de l'arbre 30 de la turbine libre 20. Les résistances 40 et le dispositif de stockage 42 permettent ainsi d'augmenter le couple résistif C sur le rotor de la génératrice électrique, ce qui permet de limiter l'augmentation de la vitesse de rotation de la turbine libre 20. De préférence, les résistances permettent de stabiliser la vitesse de rotation de la turbine libre, encore de préférence, elles permettent de freiner la turbine libre 20.The heating resistors 40 and the storage device 42 constitute electrical charges intended to consume part of the electrical energy supplied by the electric generator 14 and therefore to consume part of the kinetic energy of the shaft 30 of the free turbine. 20. The resistors 40 and the storage device 42 thus make it possible to increase the resistive torque C on the rotor of the electric generator, which makes it possible to limit the increase in the speed of rotation of the free turbine 20. Preferably, the resistors make it possible to stabilize the speed of rotation of the free turbine, more preferably, they make it possible to brake the free turbine 20.
Dans cet exemple, lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre 20 est supérieure à un second seuil haut, par exemple égal à 110% de la vitesse de rotation nominale de la turbine libre, on interrompt le fonctionnement du générateur de gaz 12, de manière à assurer la réduction de la vitesse de rotation de la turbine libre 20.In this example, when the speed of rotation of the free turbine 20 is greater than a second high threshold, for example equal to 110% of the nominal speed of rotation of the free turbine, the operation of the gas generator 12 is interrupted, so as to reduce the speed of rotation of the free turbine 20.
Les résistances chauffantes 40 permettent de consommer l'énergie électrique de la génératrice électrique par effet joule. De plus, le dispositif de stockage 42 fonctionne ici en mode récepteur, c'est-à-dire qu'il emmagasine l'énergie électrique fournie par la génératrice électrique 14.The heating resistors 40 make it possible to consume the electrical energy of the electric generator by the Joule effect. In addition, the storage device 42 operates here in receiver mode, that is to say that it stores the electrical energy supplied by the electric generator 14.
Dans cet exemple, le dispositif de stockage 42 est une super-capacité pouvant emmagasiner très rapidement l'énergie électrique fournie par la génératrice électrique.In this example, the storage device 42 is a super-capacity that can very quickly store the electrical energy supplied by the electric generator.
Inversement, dans le cas d'une augmentation soudaine de la demande en énergie électrique causée, par exemple, par une accélération importante des moteurs électriques de l'aéronef ou par l'activation du chauffage de la cabine, de la climatisation ou encore de l'éclairage, le module électrique 38 est commandé selon un deuxième mode de commande, de manière à agir comme une source d'énergie électrique.Conversely, in the case of a sudden increase in the demand for electrical energy caused, for example, by a significant acceleration of the aircraft's electric motors or by the activation of cabin heating, air conditioning or even the lighting, the electrical module 38 is controlled according to a second control mode, so as to act as a source of electrical energy.
La figure 2 représente l'installation de production électrique 10 selon l'invention, dans laquelle le module électrique 38 est commandé selon le deuxième mode de commande. On comprend que le module électrique 38 est commandé selon le deuxième mode de commande en réponse à une forte demande en énergie électrique, par exemple du réseau électrique 32 de l'aéronef sur la génératrice électrique 14.FIG. 2 represents the electrical production installation 10 according to the invention, in which the electrical module 38 is controlled according to the second control mode. It will be understood that the electrical module 38 is controlled according to the second control mode in response to a high demand for electrical energy, for example from the electrical network 32 of the aircraft on the electrical generator 14.
Dans cet exemple, le module électrique 38 est commandé selon le deuxième mode de commande par le dispositif de commande 36 lorsque la vitesse de rotation de la turbine libre 20, mesurée par le capteur de vitesse 34, est inférieure à un seuil bas prédéterminé.In this example, the electrical module 38 is controlled according to the second control mode by the control device 36 when the speed of rotation of the free turbine 20, measured by the speed sensor 34, is less than a predetermined low threshold.
Selon l'invention, le module électrique 38 va fournir une énergie électrique supplémentaire, s'ajoutant à celle fournie par la génératrice électrique 14 de manière à l'assister et à limiter la quantité d'énergie électrique prélevée sur ladite génératrice électrique. Ceci a pour conséquence de limiter ou diminuer le couple résistif appliqué par le stator 18 sur le rotor 16 de la génératrice électrique 14 et donc à limiter le ralentissement de la turbine libre.According to the invention, the electrical module 38 will provide additional electrical energy, in addition to that provided by the electrical generator 14 so as to assist it and limit the amount of electrical energy taken from said electrical generator. This has the consequence of limiting or reducing the resistive torque applied by the stator 18 on the rotor 16 of the electric generator 14 and therefore in limiting the deceleration of the free turbine.
Dans l'exemple de la figure 2, représentant le deuxième mode de commande, le module électrique comprend le dispositif de stockage 42 décrit ci-dessus, par exemple la super capacité, qui a été rechargé lors d'une situation de vitesse excessive de la turbine libre 20.In the example of FIG. 2, representing the second control mode, the electrical module comprises the storage device 42 described above, for example the super capacity, which was recharged during a situation of excessive speed of the free turbine 20.
Le dispositif de stockage 42 fonctionne alors en mode générateur, c'est-à-dire qu'il restitue l'énergie électrique qu'il a précédemment emmagasinée. Cette énergie électrique supplémentaire permet de subvenir à une demande importante en énergie électrique de la part du réseau électrique 32. Ceci limite l'énergie électrique prélevée sur la génératrice électrique 14, limite le couple résistif appliqué sur l'arbre 30 de la turbine libre 20 et limite le freinage et la diminution de la vitesse de rotation de la turbine libre 20.The storage device 42 then operates in generator mode, that is to say that it restores the electrical energy that it has previously stored. This additional electrical energy makes it possible to meet a significant demand for electrical energy from the electrical network 32. This limits the electrical energy taken from the electric generator 14, limits the resistive torque applied to the shaft 30 of the free turbine 20 and limits the braking and the reduction in the speed of rotation of the free turbine 20.
Sur les figures 1 et 2, les flèches de petite taille schématisent une faible consommation ou un faible apport en énergie électrique. Les flèches de taille moyenne schématisent une consommation ou un apport moyen en énergie électrique et les flèches de grande taille schématisent une forte consommation ou un apport important en énergie électrique.In FIGS. 1 and 2, the small arrows represent a low consumption or a low supply of electrical energy. The arrows of medium size schematize a consumption or an average contribution in electrical energy and the arrows of large size schematize a high consumption or a significant contribution in electrical energy.
Les figures 3A à 3D illustrent, de manière non limitative, l'évolution du couple résistif du stator 18, de la vitesse de rotation de la turbine libre 20 et de la puissance fournie par le générateur de gaz 12, en réponse à un échelon ascendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique, de sorte que :FIGS. 3A to 3D illustrate, without limitation, the evolution of the resistive torque of the stator 18, of the speed of rotation of the free turbine 20 and of the power supplied by the gas generator 12, in response to an ascending step of the electrical energy demand on the electric generator, so that:
• sur le graphique de la figure 3A, on observe un échelon ascendant de la demande en énergie électrique, traduisant une augmentation brusque de ladite demande en énergie électrique par le réseau électrique 32 de l'aéronef sur la génératrice électrique, en fonction du temps ;• in the graph in FIG. 3A, there is an ascending step in the demand for electrical energy, reflecting a sudden increase in said demand for electrical energy by the electrical network 32 of the aircraft on the electric generator, as a function of time;
• sur le graphique de la figure 3B, on observe l'évolution, en fonction du temps, du couple résistif appliqué par le stator 18 sur le rotor 16 de la génératrice électrique, en réponse à l'échelon ascendant de la demande en énergie électrique ;• in the graph in FIG. 3B, the evolution, as a function of time, of the resistive torque applied by the stator 18 on the rotor 16 of the electric generator is observed, in response to the ascending level of the demand for electrical energy ;
• sur le graphique de la figure 3C, on observe l'évolution, en fonction du temps, de la vitesse de rotation de la turbine libre 20, en réponse à l'échelon ascendant de la demande en énergie électrique ; et • sur le graphique de la figure 3D, on observe l'évolution, en fonction du temps, de la puissance fournie par le générateur de gaz 12, en réponse à l'échelon ascendant de la demande en énergie électrique. Par ailleurs, les figures 4A à 4D illustrent, de manière non limitative, l'évolution du couple résistif du stator 18, de la vitesse de rotation de la turbine libre 20 et de la puissance fournie par le générateur de gaz 12, en réponse à un échelon descendant de la demande en énergie électrique sur la génératrice électrique, de sorte que :• in the graph in FIG. 3C, the evolution, as a function of time, of the speed of rotation of the free turbine 20 is observed, in response to the ascending step of the demand for electrical energy; and • on the graph of FIG. 3D, the evolution, as a function of time, of the power supplied by the gas generator 12 is observed, in response to the ascending level of the demand for electrical energy. Furthermore, FIGS. 4A to 4D illustrate, without limitation, the evolution of the resistive torque of the stator 18, of the speed of rotation of the free turbine 20 and of the power supplied by the gas generator 12, in response to a downward step in the demand for electrical energy on the electric generator, so that:
• sur le graphique de la figure 4A, on observe un échelon descendant de la demande en énergie électrique, traduisant une chute brusque de ladite demande en énergie électrique, par le réseau électrique 32 de l'aéronef sur la génératrice électrique, en fonction du temps ;• in the graph in FIG. 4A, there is a descending step in the demand for electrical energy, reflecting a sudden drop in said demand for electrical energy, by the electrical network 32 of the aircraft on the electric generator, as a function of time ;
• sur le graphique de la figure 4B, on observe l'évolution, en fonction du temps, du couple résistif appliqué par le stator sur le rotor de la génératrice électrique, en réponse à l'échelon descendant de la demande en énergie électrique ;• in the graph in FIG. 4B, the evolution, as a function of time, of the resistive torque applied by the stator to the rotor of the electric generator is observed, in response to the descending level of the demand for electrical energy;
• sur le graphique de la figure 4C, on observe l'évolution, en fonction du temps, de la vitesse de rotation de la turbine libre, en réponse à l'échelon descendant de la demande en énergie électrique ; et • sur le graphique de la figure 4D, on observe l'évolution, en fonction du temps, de la puissance fournie par le générateur de gaz 12, en réponse à l'échelon descendant de la demande en énergie électrique. On constatera que la puissance du générateur de gaz 12 est régulée de manière à faire tendre la vitesse de rotation de la turbine libre 20 vers sa valeur nominale.• in the graph in FIG. 4C, the evolution, as a function of time, of the speed of rotation of the free turbine is observed, in response to the downward step in the demand for electrical energy; and • on the graph of FIG. 4D, the evolution, as a function of time, of the power supplied by the gas generator 12 is observed, in response to the descending step of the demand for electrical energy. It will be noted that the power of the gas generator 12 is regulated so as to cause the speed of rotation of the free turbine 20 to tend towards its nominal value.
Les courbes représentées sur les graphiques des figures 3A à 3C et 4A à 4C ont pour unique but de montrer, de manière schématique, une tendance globale illustrant le comportement d'une installation de production électrique selon l'invention.The curves shown in the graphs of FIGS. 3A to 3C and 4A to 4C have the sole purpose of showing, schematically, an overall trend illustrating the behavior of an electrical production installation according to the invention.
La demande en énergie électrique des graphiques des figures 3A et 4A a été choisie de manière arbitraire de sorte qu'elle présente une demande en énergie initiale à l'instant t0, puis décrivant, en ti, respectivement un échelon ascendant et descendant de la demande, jusqu'à l'obtention d'un régime stabilisé en un instant t2, pour lequel la vitesse de rotation de la turbine libre 20 retrouve sa valeur nominale, grâce notamment à la puissance fournie par le générateur de gaz 12.The electrical energy demand of the graphs of FIGS. 3A and 4A was chosen arbitrarily so that it presents an initial energy demand at time t 0 , then describing, in ti, respectively an ascending and descending step of the request, until a stabilized speed is obtained at an instant t2, for which the speed of rotation of the free turbine 20 returns to its nominal value, thanks in particular to the power supplied by the gas generator 12.
Sur les graphiques des figures 3B et 4B, les courbes Cl en traits fins représentent l'évolution du couple résistif appliqué par le stator 18 sur le rotor 16 de la génératrice électrique 14 pour une installation de production électrique 10 dans laquelle le couple résistif n'est pas ajusté. On remarque que le couple résistif non ajusté suit l'évolution de la demande en énergie électrique de manière abrupte. Lorsque la demande en énergie électrique augmente, le couple résistif non ajusté augmente et inversement.In the graphs of FIGS. 3B and 4B, the curves C1 in fine lines represent the evolution of the resistive torque applied by the stator 18 on the rotor 16 of the electric generator 14 for an electrical production installation 10 in which the resistive torque n ' is not adjusted. Note that the unadjusted resistive torque follows the evolution of the demand for electrical energy abruptly. When the demand for electrical energy increases, the unadjusted resistive torque increases and vice versa.
Les courbes C2 en gras des graphiques des figures 3B et 4B représentent l'évolution du couple résistif ajusté appliqué par le stator 18 sur le rotor 16 de la génératrice électrique 14 pour une installation de production électrique 10 selon l'invention, dans laquelle le module électrique 38 permet d'obtenir une évolution plus douce du couple résistif.The curves C2 in bold in the graphs of FIGS. 3B and 4B represent the evolution of the adjusted resistive torque applied by the stator 18 on the rotor 16 of the electric generator 14 for an electrical production installation 10 according to the invention, in which the module electric 38 provides a smoother evolution of the resistive torque.
Sur les graphiques des figures 3C et 4C, les courbes VI en traits fins représentent l'évolution de la vitesse de rotation de la turbine libre 20, mesurée par le capteur de vitesse 34, pour une installation de production électrique 10, dans laquelle le couple résistif n'est pas ajusté. On remarque que la vitesse de rotation non régulée évolue de manière abrupte et inversée par rapport à la demande en énergie électrique. En effet, lorsque la demande en énergie électrique augmente, le couple résistif non ajusté augmente soudainement et la vitesse de rotation de la turbine libre diminue soudainement également, avant de retrouver sa valeur nominale. Inversement, lorsque la demande en énergie électrique diminue, le couple résistif non ajusté diminue soudainement et la vitesse de rotation de la turbine libre augmente soudainement avant de retrouver sa valeur nominale.In the graphs of FIGS. 3C and 4C, the curves VI in fine lines represent the evolution of the speed of rotation of the free turbine 20, measured by the speed sensor 34, for an electrical production installation 10, in which the torque resistive is not adjusted. It is noted that the unregulated rotation speed changes abruptly and inversely with respect to the demand for electrical energy. In fact, when the demand for electrical energy increases, the unadjusted resistive torque suddenly increases and the speed of rotation of the free turbine also suddenly decreases, before returning to its nominal value. Conversely, when the demand for electrical energy decreases, the unadjusted resistive torque suddenly decreases and the speed of rotation of the free turbine suddenly increases before returning to its nominal value.
Les courbes V2 en gras des graphiques des figures 3C et 4C représentent l'évolution de la vitesse de rotation de la turbine libre 20 pour une installation de production électrique 10 selon l'invention, dans laquelle le module électrique 38 permet d'ajuster le couple résistif et donc de limiter l'augmentation ou la diminution de la vitesse de rotation de la turbine libre et, par conséquent, les écarts par rapport à sa nominale.The curves V2 in bold of the graphs of FIGS. 3C and 4C represent the evolution of the speed of rotation of the free turbine 20 for an electrical production installation 10 according to the invention, in which the electrical module 38 makes it possible to adjust the torque resistive and therefore limit the increase or decrease in the speed of rotation of the free turbine and, consequently, the deviations from its nominal.
Sur les graphiques 3D et 4D, les courbes PI en traits fins représentent l'évolution de la puissance fournie par le générateur de gaz 12, pour une installation de production électrique 10, dans laquelle le couple résistif n'est pas ajusté. On remarque que ladite puissance évolue de manière abrupte et suit l'évolution de la demande électrique. En effet, lorsque la demande en énergie électrique augmente, le couple résistif non ajusté augmente et la vitesse de rotation de la turbine libre diminue avant de retrouver sa valeur nominale. Le générateur de gaz 12 est alors contraint de fournir davantage de puissance afin de compenser la perte de vitesse de rotation de la turbine libre. Inversement, lorsque la demande en énergie électrique diminue, le couple résistif non ajusté diminue et la vitesse de rotation de la turbine libre augmente avant de retrouver sa valeur nominale. Le générateur de gaz 12 est alors contraint de fournir moins de puissance, de manière limiter la vitesse de rotation de la turbine libre.On the 3D and 4D graphs, the PI curves in fine lines represent the evolution of the power supplied by the gas generator 12, for an electrical production installation 10, in which the resistive torque is not adjusted. It is noted that said power changes abruptly and follows the evolution of electrical demand. In fact, when the demand for electrical energy increases, the unadjusted resistive torque increases and the speed of rotation of the free turbine decreases before returning to its nominal value. The gas generator 12 is then forced to supply more power in order to compensate for the loss of speed of rotation of the free turbine. Conversely, when the demand for electrical energy decreases, the unadjusted resistive torque decreases and the speed of rotation of the free turbine increases before returning to its nominal value. The gas generator 12 is then forced to supply less power, so as to limit the speed of rotation of the free turbine.
Les courbes P2 en gras des graphiques des figures 3D et 4D représentent l'évolution de la puissance du générateur de gaz 12 pour une installation de production électrique 10 selon l'invention, dans laquelle le module électrique 38 permet d'ajuster le couple résistif et donc de limiter l'augmentation et la diminution de la vitesse de rotation de la turbine libre et, par conséquent, les écarts par rapport à sa valeur nominale. On constate également que, grâce à l'invention, la puissance fournie par le générateur de gaz ne varie pas sensiblement et en particulier n'augmente pas brutalement, ce qui permet de réduire la consommation en carburant.The curves P2 in bold in the graphs of FIGS. 3D and 4D represent the evolution of the power of the gas generator 12 for an electrical production installation 10 according to the invention, in which the electrical module 38 makes it possible to adjust the resistive torque and therefore limiting the increase and decrease in the speed of rotation of the free turbine and, consequently, the deviations from its nominal value. It is also noted that, thanks to the invention, the power supplied by the gas generator does not vary appreciably and in particular does not increase suddenly, which makes it possible to reduce fuel consumption.
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