FR3098845A1 - Procédé de commande d’une vanne de pilotage de jeux lors d’une montée étagée en phase de croisière - Google Patents

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Abstract

Procédé de commande d’une vanne de pilotage de jeux lors d’une montée étagée en phase de croisière Procédé de commande d’une vanne de pilotage de jeux (18) d’une turbomachine dans lequel, lors d’une manœuvre d’augmentation de régime moteur en phase de croisière, une commande de réduction d’ouverture de la vanne de pilotage de jeux (18) est actionnée par un calculateur de régulation moteur à pleine autorité (22) sur la base d’un changement d’état d’un signal de montée étagée (SCs) fourni par un système de management de vol (20) afin d’augmenter les jeux en sommet d’aubes (120, 122) de la turbomachine. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Procédé de commande d’une vanne de pilotage de jeux lors d’une montée étagée en phase de croisière
L’invention concerne dans le domaine des turbomachines d’aéronef la maitrise des jeux en sommet d’aubes de turbine par refroidissement du carter et plus particulièrement un procédé et un système de commande de la vanne de pilotage de jeux lors d’une montée étagée en phase de croisière.
Les turbomachines d’aéronef fonctionnant sur le principe de la combustion comprennent une turbine pour récupérer l’énergie des gaz et ensuite la convertir en énergie mécanique sur un arbre d’entrainement pour entrainer une soufflante générant la poussée. Le rendement de la turbine, mais également sa durée de vie sont fortement conditionnés par les étanchéités existantes entre ses différents étages. Afin d’améliorer ces étanchéités, on inclut généralement des léchettes en sommet d’aubes qui viennent en contact avec un matériau abradable recouvrant en partie le carter.
Toutefois, la position relative du sommet d’aube (rotor et stator) par rapport à l’abradable peut évoluer durant l’utilisation de la machine selon différents paramètres dont la variation de la température du carter qui, lorsqu’il est froid, se contracte, et lorsqu’il est chaud, se dilate, conduisant à son déplacement à la fois axial et radial par rapport au sommet d’aube. C’est aussi le cas avec la variation de la force centrifuge qui conduit à un déplacement radial du sommet d’aube et la variation de température de l’ensemble des disques et de l’arbre lui-même qui conduisent à un déplacement majoritairement axial de la turbine par rapport au carter. A ces déplacements s’ajoutent les consommations de jeux liées aux charges et à la dynamique (vibratoire, force gyroscopique du décollage, etc…).
Pour mieux maîtriser ces jeux, il est connu de contrôler la température du carter avec un apport régulé d’air frais au niveau du carter au moyen d’une vanne de pilotage de jeux (ACC pour « active clearance control ») de la turbine. Le pilotage de la position de la vanne assure celui du débit d’air qui contrôle à son tour les jeux en sommet d’aubes.
Le problème principal résultant de cette solution, basée sur le refroidissement du carter, c’est que le temps de réponse thermique du carter étant faible vis-à-vis des jeux liés à la force centrifuge (variation en quelques secondes), on laisse les jeux ouverts au maximum sur tous les points de fonctionnement ainsi qu’en transitoire, sauf en phase de croisière où ces jeux sont précisément régulés. Or, durant cette phase de croisière, une demande de changement d’altitude de l’avion (on parle alors de montée étagée ou « step climb »), qui peut être due soit au besoin d’optimiser le trajet (donc un besoin planifié) soit à un besoin d’évitement à proximité d’un aéroport demandé par la tour de contrôle (il est en ce cas sporadique et correspond à une situation beaucoup moins probable sur un trajet de type long courrier passant au large des grands aéroports en croisière), peut survenir et obliger le pilote à pousser la manette des gaz (action pouvant aussi être réalisée automatiquement) et donc à provoquer par cette action une surconsommation des abradables réduisant la performance que l’on peut espérer du moteur.
La présente invention se propose donc de résoudre ce problème d’usure en sommet d’aubes, lors d’une montée étagée en phase de croisière.
Pour ce faire, il est divulgué un procédé de commande d’une vanne de pilotage de jeux d’une turbomachine dans lequel, lors d’une manœuvre d’augmentation de régime moteur en phase de croisière, une commande de réduction d’ouverture de la vanne de pilotage de jeux est actionnée par un calculateur de régulation moteur à pleine autorité (FADEC) sur la base d’un changement d’état d’un signal de montée étagée fourni par un système de management de vol (FMS) afin d’augmenter les jeux en sommet d’aubes de la turbomachine.
Ainsi, lorsque la demande provient du FMS, l’anticipation de la montée étagée permet d’augmenter préventivement les jeux et ainsi d’éviter tout contact avec l’abradable lors de la remise des gaz par le pilote durant la phase de croisière. Cette action permet en outre de regagner de la performance turbine avec un niveau de confiance élevé.
De préférence, l’augmentation des jeux est obtenue par un système de gestion de jeux comprenant la vanne de pilotage de jeux et un dispositif de projection d’air frais sur un carter de la turbomachine entourant les sommets d’aubes.
Avantageusement, le système de gestion de jeux comprend un prélèvement d’air frais sur un compresseur ou dans une veine secondaire de la turbomachine ou encore au niveau d’un mélange d’air issu des deux.
De préférence, le calculateur de régulation moteur à pleine autorité (FADEC) reçoit en outre du système de management de vol (FMS) des informations relatives à l’altitude et à la position de la manette des gaz.
Avantageusement, une augmentation de l’ouverture de la vanne de pilotage de jeux succède à sa réduction à l’expiration de l’un ou l’autre des deux délais suivants : un premier délai TBD1 commençant au changement d’état du signal de montée étagée et déterminé pour ne pas pénaliser la performance du moteur pendant un temps trop élevé et un second délai TBD2 commençant à la fin de ladite manœuvre et déterminé en fonction d’une constante de temps thermique du carter. Le premier délai TBD1 est très supérieur au second délai TBD2 par exemple, le premier délai TBD1 est de l’ordre de 15 minutes et le second délai TBD2 de l’ordre de 30 secondes.
L’invention concerne également un système de commande d’une vanne de pilotage de jeux d’une turbomachine, comprenant un système de management de vol (FMS) et un calculateur de régulation moteur à pleine autorité (FADEC), caractérisé en ce que, lors d’une manœuvre d’augmentation de régime moteur en phase de croisière, le calculateur de régulation moteur à pleine autorité (FADEC) est apte à commander une réduction d’ouverture de la vanne de pilotage de jeux sur la base d’un changement d’état d’un signal de montée étagée fourni par le système de management de vol (FMS) afin d’augmenter les jeux en sommet d’aubes de la turbomachine.
De préférence, le système de commande d’une vanne de pilotage de jeux comporte en outre un canal de communication numérique distribué reliant le système de management de vol (FMS) au calculateur de régulation moteur à pleine autorité (FADEC).
L’invention concerne également une turbomachine comportant une vanne de pilotage de jeux et un tel système de commande de la vanne de pilotage de jeux et un aéronef comportant cette turbomachine.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée faite ci-dessous, en référence aux figures suivantes dépourvues de tout caractère limitatif et sur lesquelles :
La figure 1 illustre de façon partielle plusieurs étages d’une turbine d’aéronef au niveau de laquelle est appliqué le procédé de pilotage des jeux selon l’invention, et
La figure 2 est un organigramme illustrant différentes étapes du procédé de l’invention.
La figure 1 illustre schématiquement une vue partielle d’une turbine 10 de turbomachine d’aéronef comprenant tels qu’illustrés un rotor 12 muni d’aubes de rotor 120, 122 et un stator 14 comprenant un redresseur 140 et un carter 142. Des étanchéités sont prévues entre le rotor et le stator dont comme il est connu les jeux sont déterminés par un système de gestion de jeux 16 (LPTACC pour « Low Pressure Turbine Active Clearance Control » ou l’HPTACC pour « High Pressure Turbine Active Clearance Control) positionné autour de la turbine et comprenant une vanne de pilotage de jeux 18 (vanne ACC) et qui régule par distribution (ou projection) d’air frais la température du carter de turbine, ce qui influe sur les jeux des étanchéités entre rotors et stators de la turbine. On entend par « air frais » un air prélevé dans une veine de la turbomachine, qui est à une température inférieure à la température du carter et qui dépend de son endroit de prélèvement, par exemple entre -60 et + 60 degrés pour la veine secondaire et de 200 à 500 degrés pour le compresseur. C’est donc une notion relative, en comparaison la température d’un carter de turbine est typiquement régulée entre 600 et 900 degrés. Ainsi, l’air frais peut être prélevé sur le compresseur ou la veine secondaire de la turbomachine de l’aéronef ou encore être constitué par un mélange d’air issu de ces deux origines.
L’ouverture de la vanne de pilotage de jeux est régulée par un calculateur de régulation moteur à pleine autorité 20 (FADEC pour « Full Authority Digital Engine Control ») qui reçoit d’un système de management de vol 22 (FMS pour « Flight Management System ») les informations relatives à l’altitude et à la position de la manette des gaz (levier de poussée) actionnée par le pilote ainsi éventuellement que d’autres paramètres moteurs tels que le régime moteur ou le nombre de Mach par exemple.
Les échanges entre le FADEC assurant la régulation du moteur et le FMS sont de préférence assurés par un canal de communication numérique distribué 24 conforme par exemple à la norme ARINC (pour « Aeronautical Radio INCorporated »).
Compte tenu de la densification du trafic aérien, le pilotage en phase de croisière n’est aujourd’hui possible qu’en mode de pilotage automatique (dit aussi automanette). Le pilote doit donc programmer le FMS 22 au départ de la mission, de sorte à planifier de manière optimale, lorsque son plan de vol est pourvu de changements d’altitudes, le ou les points de montée étagée vis-à-vis de la consommation de carburant souhaitable. Ainsi, durant le vol le FMS 22 peut indiquer au pilote le ou les moments de changement d’altitude qui débute alors avec un changement de position de la manette des gaz effectué par l’automanette après autorisation du pilote (ou éventuellement par le pilote lui-même si celui-ci a repris la main pour quelque raison que ce soit). Il est possible aussi que cette demande de changement d’altitude provienne au FMS depuis une station au sol par exemple.
Selon l’invention, lors d’une montée étagée en phase de croisière qui sera engagée par la manœuvre d’augmentation du régime moteur nécessitée par ce changement d’altitude, les jeux aux sommets des aubes de la turbomachine sont augmentés dès réception d’un changement d’état d’un signal de montée étagée (step-climb signal - SCs) fourni par le système de management de vol (FMS 22), en anticipation de la diminution des jeux qui résultera de l’action de l’automanette ou exceptionnellement du pilote sur la manette des gaz. Cette augmentation est effectuée en réduisant l’ouverture de la vanne de pilotage de jeux 18 depuis le calculateur de régulation moteur à pleine autorité (FADEC 20), de sorte à provoquer une réduction de la projection d’air frais sur le carter entourant les aubes et donc son réchauffement. Ce réchauffement du carter va entrainer sa dilation et donc un jeu accru au sommet des aubes comme souhaité.
Mais, il peut s’avérer que le pilote tarde à autoriser l’action de l’automanette voire refuse de donner son autorisation pour l’actionner, estimant cette manœuvre inappropriée. C’est pourquoi une augmentation d’ouverture de la vanne de pilotage de jeux succède à la réduction d’ouverture précédente à l’expiration de l’un des deux délais suivants : un premier délai TBD1, préférentiellement de l’ordre de 15 minutes, commençant au changement d’état du signal de montée étagée et qui est un compromis choisi de manière optimale pour d’une part prendre en compte la situation dans laquelle le pilote refuserait la manœuvre (il ne faut alors pas pénaliser la performance du moteur pendant une durée trop longue), et d’autre part tenir compte du temps moyen de réaction du pilote pour accepter cette demande de changement d’altitude ; un second délai TBD2, préférentiellement de l’ordre de 30 secondes, commençant à la fin de la manœuvre et déterminé en fonction de la constante de temps thermique du carter. On notera que le premier délai TBD1 est très supérieur au second délai TBD2.
La figure 2 est un organigramme illustrant la prise en compte de ces deux délais dans le procédé de pilotage des jeux de turbine exécuté dans le FADEC.
Dans une première étape 200, le FADEC récupère périodiquement du FMS une information booléenne relative au signal de montée étagée (état Vrai ou Faux du step-climb signal). Dans une étape suivante 202, le FADEC test l’état de cette information booléenne et ne modifie pas sa consigne normale si cet état est Faux, c’est à dire poursuit sa régulation courante des jeux en assurant le contrôle de l’ouverture de la vanne de pilotage de jeux dans une étape 204. Par contre, si cet état est Vrai, manifestant donc un changement d’état de ce signal, il est alors procédé dans une nouvelle étape 206 à l’ouverture des jeux. Cette étape de changement d’état signe le départ du délai TBD1 pendant lequel le pilote est informé du changement d’altitude et son autorisation pour effectuer de manière automatique cette manœuvre lui est demandée. Tant que le long délai TBD1 n’est pas écoulé, les jeux restent ouverts dans l’attente de la manœuvre d’augmentation de régime moteur du pilote. Lorsque celle-ci est enfin engagée puis terminée, cette étape terminale 208 signe à son tour le départ du court second délai TBD2 à l’issu duquel il sera fait retour à l’étape 204 de régulation courante des jeux. Par contre, si à l’issu du délai TBD1 le pilote n’a engagé aucune manœuvre, il est fait automatiquement retour à l’étape 204 et la régulation courante des jeux est reprise en assurant à nouveau le pilotage de l’ouverture de la vanne de pilotage de jeux.
Avec ce procédé, on obtient des gains certains sur une flotte moyenne d’aéronefs de type longs courriers, même s’ils peuvent ne pas être nécessairement garantis pour un pilote déterminé.

Claims (10)

  1. Procédé de commande d’une vanne de pilotage de jeux (18) d’une turbomachine dans lequel, lors d’une manœuvre d’augmentation de régime moteur en phase de croisière, une commande de réduction d’ouverture de la vanne de pilotage de jeux (18) est actionnée par un calculateur de régulation moteur à pleine autorité (20) sur la base d’un changement d’état d’un signal de montée étagée (SCs) fourni par un système de management de vol (22) afin d’augmenter les jeux en sommet d’aubes (120, 122) de la turbomachine.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’augmentation des jeux est obtenue par un système de gestion de jeux (16) comprenant la vanne de pilotage de jeux (18) et un dispositif de projection d’air frais sur un carter (142) de la turbomachine entourant les sommets d’aubes (120, 122).
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système de gestion de jeux (16) comprend un prélèvement d’air frais sur un compresseur ou dans une veine secondaire de la turbomachine ou encore au niveau d’un mélange d’air issu des deux.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le calculateur de régulation moteur à pleine autorité (20) reçoit en outre du système de management de vol (22) des informations relatives à l’altitude et à la position de la manette des gaz.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’une augmentation de l’ouverture de la vanne de pilotage de jeux (18) succède à sa réduction à l’expiration de l’un ou l’autre des deux délais suivants : un premier délai TBD1 commençant au changement d’état du signal de montée étagée (SCs) et déterminé pour ne pas pénaliser la performance du moteur pendant un temps trop élevé et un second délai TBD2 commençant à la fin de ladite manœuvre et déterminé en fonction d’une constante de temps thermique du carter (142).
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier délai TBD1 est très supérieur au second délai TBD2 par exemple, le premier délai TBD1 est de l’ordre de 15 minutes et le second délai TBD2 de l’ordre de 30 secondes.
  7. Système de commande d’une vanne de pilotage de jeux (18) d’une turbomachine, comprenant un système de management de vol (22) et un calculateur de régulation moteur à pleine autorité (20), caractérisé en ce que, lors d’une manœuvre d’augmentation de régime moteur en phase de croisière, le calculateur de régulation moteur à pleine autorité (20) est apte à commander une réduction d’ouverture de la vanne de pilotage de jeux (18) sur la base d’un changement d’état d’un signal de montée étagée (SCs) fourni par le système de management de vol (22) afin d’augmenter les jeux en sommet d’aubes (120, 122) de la turbomachine.
  8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système de commande d’une vanne de pilotage de jeux (18) comporte en outre un canal de communication numérique distribué (24) reliant le système de management de vol (22) au calculateur de régulation moteur à pleine autorité (20).
  9. Turbomachine comportant une vanne de pilotage de jeux (18) et un système de commande de la vanne de pilotage de jeux selon la revendication 7 ou la revendication 8.
  10. Aéronef comportant une turbomachine selon la revendication 9.
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