FR3103270A1

FR3103270A1 - Procédé et système de détermination du débit massique d’un fluide dans un circuit de fluide pour la commande d’une vanne de dosage du circuit de fluide

Info

Publication number: FR3103270A1
Application number: FR1912964A
Authority: FR
Inventors: Bruno Robert Gaully
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-05-21
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: FR3103270B1

Abstract

Un procédé de détermination du débit massique (Qm) d’un fluide dans un circuit de fluide alimenté par un réservoir (R), en particulier pour la commande d’une vanne de dosage (14) du circuit, ledit procédé comprenant : une mesure d’un débit volumique (Q30) et d’une première température (T30) du fluide à une première position de mesure dans le circuit, une mesure d’une deuxième densité (d20) et d’une deuxième température (T20) du fluide à une deuxième position de mesure dans le réservoir (R), une détermination d’une première densité (d30) du fluide associée à la première température (T30), à partir de la deuxième densité (d20), de la deuxième température (T20) et de la première température (T30), et un calcul du débit massique (Qm) du fluide à partir du débit volumique (Q30) et de la première densité (d30) du fluide. Figure de l’abrégé : Figure 3A

Description

Procédé et système de détermination du débit massique d’un fluide dans un circuit de fluide pour la commande d’une vanne de dosage du circuit de fluide

La présente invention concerne le domaine de la détermination du débit massique d’un fluide dans un circuit de fluide, en particulier pour la commande d’une vanne de dosage du circuit de fluide.

De manière connue, en référence à la figure 1, un aéronef comprend un ou plusieurs turbomoteurs comprenant une chambre de combustion CC dans laquelle entrent de l’air A et du carburant F configurés pour réagir ensemble suivant une réaction de combustion, de manière à dégager l’énergie nécessaire à la poussée de l’aéronef. L’air A provient de l’extérieur du turbomoteur et est guidé vers la chambre de combustion CC par une veine d’air tandis que le carburant F provient d’un ou plusieurs réservoirs R et est guidé par un circuit de carburant 10. Le réservoir R comprend une pompe électrique de mise en mouvement du carburant F dans le circuit de carburant 10.

De manière connue, toujours en référence à la figure 1, le circuit de carburant 10 comprend d’amont en aval une pompe basse pression 11 de mise en mouvement du carburant F, un filtre 12 de retenue des particules solides contenues dans le carburant F et une pompe haute pression 13 d’accélération du carburant F. Par la suite, les termes «amont» et «aval» sont définis par rapport au sens de circulation du carburant F dans le circuit de carburant 10. Le circuit de carburant 10 comprend en outre, en aval de la pompe haute pression 13, une vanne de dosage 14 du carburant F et un ou plusieurs injecteurs 15 pour pulvériser le carburant F dosé dans la chambre de combustion CC. Le carburant refoulé Fr par la vanne de dosage 14 est quant à lui réinjecté dans le circuit de carburant 10 en amont.

Dans les faits, l’air A et le carburant F injectés dans la chambre de combustion CC doivent être présents dans des proportions précises l’un par rapport à l’autre, dites «proportions stœchiométriques», pour maîtriser la richesse de la réaction de combustion, afin, d’une part, d’assurer un rendement énergétique satisfaisant du turbomoteur et, d’autre part, de garantir un fonctionnement robuste du turbomoteur lors de toutes conditions de vol. Une telle maîtrise de la richesse de la réaction de combustion permet notamment d’éviter un phénomène de pompage d’un compresseur de l’air dans la veine d’air en amont de la chambre de combustion CC lors du décollage ou d’une phase d’accélération du turbomoteur ou encore une extinction de la chambre de combustion lors d’une phase de décélération du turbomoteur. Pour cela, comme illustré sur la figure 1, le débit massique de carburant F injecté est contrôlé par le degré d’ouverture de la vanne de dosage 14, lui-même contrôlé par un organe de commande 60 via une consigne C. La consigne C est déterminée à partir d’un débit massique souhaité Qm-th et d’une mesure du débit massique Qm50 de carburant F injecté dans la chambre de combustion CC.

De manière connue, toujours en référence à la figure 1, la mesure du débit massique Qm50 de carburant F est déterminée au moyen d’un dispositif de mesure 51 positionné entre la vanne de dosage 14 et les injecteurs 15 du circuit de carburant 10, et relié à un organe de calcul 52 et une base de données 53, formant ensemble un système de détermination du débit massique 50. Plus précisément, le dispositif de mesure 51 est configuré pour mesurer le débit volumique Q50, la température T50 et la permittivité ε50 du carburant F, au moyen respectivement d’une turbine volumétrique, d’un capteur de température et d’électrodes. L’organe de calcul 52 est quant à lui configuré pour déterminer le débit massique mesuré Qm50 à partir de la multiplication du débit volumique Q50 mesuré et de la densité d50* du carburant F, cette dernière étant déterminée par la base de données 53 à partir des mesures conjointes de la température T50 et de la permittivité ε50.

En pratique, un tel système de détermination du débit massique 50 permet de déterminer une mesure du débit massique Qm50 avec une incertitude de l’ordre de 10%, se répercutant sur la valeur de la consigne C et donc sur le degré d’ouverture de la vanne de dosage 14. Le débit massique réellement injecté dans la chambre de combustion CC peut ainsi être légèrement inférieur ou légèrement supérieur au débit massique souhaité Qm-th, ce qui peut dans certains cas entraîner l’apparition d’un phénomène de pompage du compresseur lors du décollage ou d’une phase d’accélération du turbomoteur ou encore d’une extinction de la chambre de combustion lors d’une phase de décélération du turbomoteur.

Pour réduire l’incertitude sur la valeur du débit massique mesuré Qm50, il est connu par la demande de brevet FR2958976 de réaliser deux mesures supplémentaires du débit massique de carburant F. Une deuxième mesure est ainsi réalisée en mesurant le débit volumique à partir du degré d’ouverture de la vanne de dosage 14, au lieu de la turbine volumétrique. Une troisième mesure est quant à elle réalisée en calculant le débit massique à partir d’un modèle numérique. Un débit massique affiné est ensuite calculé par combinaison des trois mesures. Une telle méthode permet de réduire l’incertitude sur la mesure du débit massique pour certaines plages de fonctionnement du turbomoteur, à l’exception du fonctionnement à faible débit et à débit élevé, ce qui présente un inconvénient.

Il est également connu par la demande de brevet FR2966518 de mesurer le degré d’ouverture de la vanne de dosage 14 ainsi que le débit volumique Q50, la température T50 et la permittivité ε50 du carburant F au moyen du dispositif de mesure 51. Chacune des mesures sont réalisées à deux instants différents afin de vérifier leur fiabilité. Les débits volumiques obtenus à partir de la vanne de dosage 14 et du dispositif de mesure 51 peuvent également être comparés entre eux. Un débit massique consolidé est ensuite déterminé par sélection des mesures les plus fiables uniquement. Une telle méthode permet avantageusement de réduire l’incertitude sur la mesure du débit volumique et de la densité, toutefois elle nécessite de réaliser un grand nombre de mesures.

L’invention vise ainsi à déterminer le débit massique de carburant injecté dans la chambre de combustion de façon plus précise et pour toute plage de fonctionnement du turbomoteur, tout en limitant le nombre de mesures réalisées, de manière à augmenter la précision de la commande de la vanne de dosage du circuit de carburant.

De manière incidente, en référence à la figure 2, un aéronef comporte par ailleurs un système de gestion de carburant configuré pour évaluer la quantité de carburant F restante dans le réservoir R et pour surveiller la consommation de carburant F, ainsi que pour fournir ces données au poste de pilotage P. Pour cela, le système de gestion de carburant comprend un dispositif de mesure de la densité d dans le réservoir R à partir de la position d’une masse immergée dans le carburant F et reliée à un ressort.

A noter qu’un tel système de gestion de carburant est propre à l’aéronef, c’est-à-dire qu’il est indépendant du dispositif de détermination du débit massique 50 pour la commande de la vanne de dosage 14. Par ailleurs, la densité d mesurée dans le réservoir R est différente de la densité d50* du carburant F avant injection étant donné qu’entre le réservoir R et les injecteurs 15, le carburant F a subi des actions de compression, ce qui a modifié son comportement thermodynamique, en particulier, sa température.

L’invention concerne un procédé de détermination du débit massique d’un fluide dans un circuit de fluide, en particulier pour la commande d’une vanne de dosage du circuit de fluide, ledit circuit de fluide étant alimenté par au moins un réservoir de fluide, ledit procédé comprenantune mesure d’au moins un débit volumique et d’au moins une première température du fluide à une première position de mesure dans le circuit de fluide.

L’invention est remarquable en ce que le procédé comprend:

une mesure d’au moins une deuxième densité et d’au moins une deuxième température du fluide à une deuxième position de mesure dans le réservoir,
une détermination d’une première densité du fluide associée à la première température à partir de la deuxième densité, de la deuxième température et de la première température mesurées, et
un calcul du débit massique du fluide à la première position de mesure à partir du débit volumique mesuré et de la première densité du fluide.

Grâce à l’invention, le débit massique d’un fluide dans un circuit de fluide peut être déterminé de manière plus précise et plus fiable, en particulier en réduisant l’incertitude sur la mesure de la première densité. La première densité est en effet obtenue avantageusement à partir d’une mesure issue du réservoir, ce qui, dans le cadre d’un turbomoteur d’aéronef, va à l’encontre des pratiques habituelles qui visent à séparer les informations du réservoir de l’aéronef de celles liées au turbomoteur. Ainsi, la présente invention va à l’encontre de préjugés techniques pour augmenter la précision de la mesure. Dans le cadre d’un turbomoteur d’aéronef, l’invention permet en outre une mesure précise pour toute condition de fonctionnement, à faible débit comme à débit élevé, contrairement à l’art antérieur.

Par ailleurs, les conditions d’écoulement sont plus favorables dans le réservoir que dans le circuit de fluide et permettent une mesure plus précise, ce qui réduit l’incertitude de mesure sur le débit massique obtenu d’environ 30%. En effet, l’écoulement du fluide est moins turbulent dans le réservoir que dans le circuit de fluide. Dans le cadre d’un turbomoteur d’aéronef, le réservoir est de plus un environnement moins soumis aux vibrations dues au moteur et aux chocs, notamment lors de l’atterrissage et du décollage, que le circuit de fluide.

A noter que les termes «comprendun» ou «comprend une» sont à interpréter dans le sens «comprend au moins un» ou «comprend au moins une» et non dans le sens restrictif «comprend un unique» ou «comprend une unique».

Selon un aspect de l’invention, le fluide circulant d’amont en aval dans le circuit de fluide, l’action de mesure à la première position de mesure est mise en œuvre en aval de la vanne de dosage, de préférence, en sortie de la vanne de dosage. Une telle première position de mesure permet de mesurer le débit volumique d’intérêt, à savoir celui dosé par la vanne de dosage. Une mesure locale permet de bénéficier d’une mesure du débit massique pertinente.

Selon un aspect, au cours de l’action de mesure à la première position de mesure, au moins une première permittivité est mesurée à la première position de mesure, ledit procédé comprenant:

une détermination d’une densité de correction à partir de la première température et de la première permittivité mesurées,
une détermination d’une densité corrigée à partir de la première densité et de la densité de correction et
un calcul du débit massique du fluide à la première position de mesure à partir du débit volumique mesuré et de la densité corrigée du fluide.

De manière avantageuse, la première densité déterminée à partir de la deuxième position de mesure peut être comparée avec une densité de correction calculée à partir des propriétés physiques du fluide à la première position de mesure, ce qui réduit l’incertitude sur la valeur de la première densité. En outre, la densité de correction fournit une autre mesure disponible de densité, pouvant être utilisée en lieu et place de la première densité en cas de défaillance au niveau de la deuxième position de mesure. La redondance de mesures est notamment recherchée dans un environnement avionique. L’utilisation d’une mesure de permittivité permet ainsi d’améliorer la précision ainsi que la redondance.

Selon un aspect, au cours de l’action de mesure à la deuxième position de mesure, au moins une deuxième permittivité est mesurée à la deuxième position de mesure, ledit procédé comprenant:

une détermination d’une densité de consolidation à partir de la deuxième température et de la deuxième permittivité mesurées,
une détermination d’une densité consolidée à partir de la deuxième densité et de la densité de consolidation et
une détermination d’une première densité du fluide associée à la première température à partir de la densité consolidée, de la deuxième température et de la première température.

De manière avantageuse, une telle densité de consolidation permet de déterminer le débit massique avec davantage de précision et de fiabilité, en limitant le risque d’erreur de mesure de la deuxième densité.

Selon un aspect, le procédé comprend:

une mesure d’au moins une densité de préconsolidation à au moins une position de mesure de préconsolidation dans laquelle le fluide est dans les mêmes conditions physiques que dans la deuxième position de mesure,
une détermination d’au moins une densité préconsolidée à partir de la deuxième densité et de la densité de préconsolidation et
une détermination d’une densité consolidée à partir de la densité préconsolidée et de la densité de consolidation.

De préférence, au cours de l’action de mesure à la deuxième position de mesure une pluralité de densités de préconsolidation sont mesurées, préférentiellement dans une pluralité de réservoirs alimentant le circuit de fluide.

De manière avantageuse, une telle densité de préconsolidation permet de déterminer le débit massique avec davantage de précision et de fiabilité, en limitant le risque d’erreur de mesure de la deuxième densité.

De préférence également, l’action de mesure à la position de mesure de préconsolidation comprend la mesure d’au moins une température de préconsolidation associé à la densité de préconsolidation. Préférentiellement, l’action de détermination de la densité préconsolidée comprend la détermination d’une température préconsolidée à partir de la deuxième température et de la température de préconsolidation.

De manière avantageuse, une telle température de préconsolidation permet de déterminer le débit massique avec davantage de précision et de fiabilité, en limitant le risque d’erreur de mesure de la deuxième température.

L’invention concerne également un procédé de commande d’une vanne de dosage d’un circuit de fluide, ledit procédé comprenantles actions du procédé de détermination du débit massique tel que décrit précédemment et un calcul de la consigne de la vanne de dosage à partir d’au moins le débit massique. Ainsi, la consigne de vanne de dosage est plus précise et, dans le cadre d’un moteur, la richesse de la réaction de combustion est mieux maîtrisée. Ceci permet d’une part, d’assurer un rendement énergétique satisfaisant du moteur et, d’autre part, de garantir un fonctionnement robuste du moteur lors de toutes conditions de fonctionnement. Dans le cadre d’un turbomoteur d’aéronef, la maîtrise de la richesse de la réaction de combustion permet notamment d’éviter un phénomène de pompage d’un compresseur de l’air dans la veine d’air en amont de la chambre de combustion lors du décollage ou d’une phase d’accélération du turbomoteur ou encore une extinction de la chambre de combustion lors d’une phase de décélération du turbomoteur.

L’invention concerne par ailleurs un ensemble d’au moins un réservoir, d’un circuit de fluide alimenté par le réservoir et d’un système de détermination du débit massique d’un fluide dans le circuit de fluide, en particulier pour la commande d’une vanne de dosage dans le circuit de fluide, ledit système permettant la mise en œuvre du procédé de détermination du débit massique tel que décrit précédemment et comprenant:

un premier dispositif de mesure positionné à la première position de mesure dans le circuit de fluide et configuré pour mesurer au moins le débit volumique et la première température du fluide,
un deuxième dispositif de mesure positionné à la deuxième position de mesure dans le réservoir et configuré pour mesurer au moins la deuxième densité et la deuxième température du fluide,
une première base de données associant des premières densités à des premières températures, à des deuxièmes températures et à des deuxièmes densités et
un premier organe de calcul configuré pour calculer le débit massique du fluide à la première position de mesure à partir du débit volumique mesuré et de la première densité du fluide.

Selon un aspect de l’invention, le circuit de fluide comprenant une vanne de dosage, le fluide circulant d’amont en aval dans le circuit de fluide, le premier dispositif de mesure est monté en aval de la vanne de dosage, de préférence, en sortie de la vanne de dosage, de manière à mesurer le débit volumique d’intérêt, à savoir celui dosé par la vanne de dosage. De manière avantageuse, le système de détermination du débit massique selon l’art antérieur peut être réutilisé pour former le premier dispositif de mesure, de manière à limiter le coût et l’encombrement.

De préférence, l’ensemble comprend de plus un organe de commande de la vanne de dosage relié au système de détermination du débit massique, de manière à pouvoir mettre en œuvre le procédé de commande de la vanne de dosage.

Selon un aspect de l’invention, le circuit de fluide se présente sous la forme d’un circuit de carburant de moteur, soumis aux vibrations du moteur. De manière avantageuse, le deuxième dispositif de mesure monté dans le réservoir permet ainsi de mesurer une densité dans un environnement moins soumis aux vibrations dues au moteur que le circuit de fluide. Un tel ensemble permet ainsi de déterminer un débit massique précis et fiable pour doser de manière optimale le carburant injecté dans la chambre de combustion du moteur et ainsi maîtriser la richesse de la réaction de combustion, afin, d’une part, d’assurer un rendement énergétique satisfaisant du moteur et, d’autre part, de garantir un fonctionnement robuste du moteur lors de toutes conditions de fonctionnement. La mesure est en outre précise pour toute condition de fonctionnement, à faible débit comme à débit élevé, contrairement à l’art antérieur.

De préférence, le circuit de fluide se présente sous la forme d’un circuit de fluide de turbomoteur d’aéronef, soumis aux vibrations du turbomoteur d’aéronef et aux chocs, notamment lors du décollage et de l’atterrissage. De manière avantageuse, la maîtrise de la richesse de la réaction de combustion permet notamment, dans le cadre d’un turbomoteur d’aéronef, d’éviter un phénomène de pompage d’un compresseur de l’air dans la veine d’air en amont de la chambre de combustion lors du décollage ou d’une phase d’accélération du turbomoteur ou encore une extinction de la chambre de combustion lors d’une phase de décélération du turbomoteur.

Selon un autre aspect préféré, le circuit de fluide se présente sous la forme d’un circuit d’huile de moteur. Selon un autre aspect préféré, le circuit de fluide se présente sous la forme d’un circuit de fluide de refroidissement de moteur.

L’invention concerne également un moteur comprenant l’ensemble tel que décrit précédemment, de préférence un turbomoteur d’aéronef comprenant l’ensemble tel que décrit précédemment.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :

est une représentation schématique fonctionnelle d’un système de détermination du débit massique de carburant dans un circuit de carburant selon l’art antérieur ;

est une représentation schématique fonctionnelle d’un système de gestion de carburant d’aéronef selon l’art antérieur ;

est une représentation schématique fonctionnelle d’un système de détermination du débit massique de carburant dans un circuit de carburant pour la mise en œuvre d’un procédé de détermination du débit massique de carburant dans un circuit de carburant selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

est une représentation schématique d’un procédé de détermination du débit massique de carburant dans un circuit de carburant selon le premier mode de réalisation de l’invention de la figure 3A ;

est une représentation schématique fonctionnelle du système de détermination du débit massique de carburant pour la mise en œuvre d’un procédé de détermination du débit massique de carburant selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;

est une représentation schématique du procédé de détermination du débit massique de carburant selon le deuxième mode de réalisation de l’invention de la figure 4A ;

est une représentation schématique fonctionnelle du système de détermination du débit massique de carburant pour la mise en œuvre d’un procédé de détermination du débit massique de carburant selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;

est une représentation schématique du procédé de détermination du débit massique de carburant selon le troisième mode de réalisation de l’invention de la figure 5A ;

est une représentation schématique fonctionnelle du système de détermination du débit massique de carburant pour la mise en œuvre d’un procédé de détermination du débit massique de carburant selon un quatrième mode de réalisation de l’invention et

est une représentation schématique du procédé de détermination du débit massique de carburant selon le quatrième mode de réalisation de l’invention de la figure 6A ;

Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.

De manière connue, comme décrit précédemment et en référence à la figure 3A, un aéronef comprend un ou plusieurs turbomoteurs comprenant une chambre de combustion CC dans laquelle entrent de l’air A et du carburant F configurés pour réagir ensemble suivant une réaction de combustion, de manière à dégager l’énergie nécessaire à la poussée de l’aéronef. L’air A provient de l’extérieur du turbomoteur et est guidé vers la chambre de combustion CC par une veine d’air tandis que le carburant F provient d’un ou plusieurs réservoirs R et est guidé par un circuit de carburant 10. Le réservoir R comprend une pompe, de préférence électrique, de mise en mouvement du carburant F dans le circuit de carburant 10.

De manière connue, toujours en référence à la figure 3A, le circuit de carburant 10 comprend d’amont en aval une pompe basse pression 11 de mise en mouvement du carburant F, un filtre 12 de retenue des particules solides contenues dans le carburant F et une pompe haute pression 13 d’accélération du carburant F. Par la suite, les termes «amont» et «aval» sont définis par rapport au sens de circulation du carburant F dans le circuit de carburant 10. Le circuit de carburant 10 comprend en outre, en aval de la pompe haute pression 13, une vanne de dosage 14 du carburant F et un ou plusieurs injecteurs 15 pour pulvériser le carburant F dosé dans la chambre de combustion CC. Plus précisément, la vanne de dosage 14, suivant son degré d’ouverture, est configurée pour laisser circuler un débit massique souhaité Qm-th de carburant F. Le degré d’ouverture de la vanne de dosage 14 est contrôlé par un organe de commande 40, via une consigne C. Le carburant refoulé Fr par la vanne de dosage 14 est quant à lui réinjecté dans le circuit de carburant 10 en amont.

En référence aux figures 3A et 3B, l’invention concerne un procédé de détermination du débit massique Qm de carburant F dosé par la vanne de dosage 14 du circuit de carburant 10, de manière à commander la vanne de dosage 14 par rétroaction négative, c’est-à-dire en élaborant la consigne C de l’organe de commande 40 par comparaison entre le débit massique réel dosé par la vanne de dosage 14 et le débit massique souhaité Qm-th, afin d’en rectifier un éventuel écart.

Pour cela, selon l’invention et en référence aux figures 3A et 3B, le procédé de détermination du débit massique Qm comprend:

une mesure E4 d’un débit volumique Q30 et d’une première température T30 du carburant F à une première position de mesure, située entre la vanne de dosage 14 et les injecteurs 15 du circuit de carburant 10 dans l’exemple de la figure 3A,
une mesure E1 d’une deuxième densité d20 et d’une deuxième température T20 du carburant F à une deuxième position de mesure située dans le réservoir R,
une détermination E5 d’une première densité d30 du carburant F associée à la première température T30 à partir de la deuxième densité d20, de la deuxième température T20 et de la première température T30 mesurées, et
un calcul E6 du débit massique Qm de carburant F à la première position de mesure à partir du débit volumique Q30 mesuré et de la première densité d30 du carburant F.

De manière préférée, une fois le débit massique Qm déterminé, il est mis en œuvre une action de calcul de la consigne C de l’organe de commande 40 pour piloter le degré d’ouverture de la vanne de dosage 14 à partir du débit massique Qm déterminé et du débit massique souhaité Qm-th.

Grâce à l’invention, le débit massique Qm est déterminé avec plus de précision que dans l’art antérieur, le gain en précision provenant de la méthode de détermination de la première densité d30. En effet, la première densité d30 est déterminée non plus à partir d’une mesure de température et de permittivité comme dans l’art antérieur, mais directement à partir d’un autre point de mesure, à savoir la deuxième position de mesure dans le réservoir R. Une telle deuxième position de mesure va à l’encontre des pratiques habituelles qui visent à séparer les informations du réservoir R de l’aéronef de celles liées au turbomoteur. En effet, la deuxième densité d20 issue du réservoir R et généralement réservée à la cabine de pilotage de l’aéronef est partagée avec un calculateur du turbomoteur pour déterminer une première densité d30 avec une grande précision dans le turbomoteur, à la première position de mesure. En référence à la figure 3A, un trait en pointillés est représenté pour illustrer la différence entre l’environnement aéronef et l’environnement turbomoteur qui sont généralement étanches pour ce qui est des mesures physiques dans le réservoir R.

La mesure directe et précise de la deuxième densité d20 est de plus due à l’écoulement du carburant F qui est moins turbulent dans le réservoir R que dans le circuit de carburant 10. En effet, le réservoir R est moins soumis aux vibrations du moteur que le circuit de carburant 10. La première densité d30 peut ensuite être déterminée avec un gain d’environ 30% sur l’incertitude de mesure par rapport à l’art antérieur. Autrement dit, la mesure précise à la deuxième position de mesure est convertie à la première position de mesure en utilisant les températures entre les deux points de mesure. En outre, la mesure de la deuxième densité d20 est précise pour toute condition de fonctionnement, à faible débit comme à débit élevé.

Ainsi, la consigne de vanne de dosage 14 est plus précise et la richesse de la réaction de combustion est mieux maîtrisée. Ceci permet d’une part, d’assurer un rendement énergétique satisfaisant du turbomoteur et, d’autre part, de garantir un fonctionnement robuste du turbomoteur lors de toutes conditions de fonctionnement. Ceci permet notamment d’éviter un phénomène de pompage d’un compresseur de l’air dans la veine d’air en amont de la chambre de combustion lors du décollage ou d’une phase d’accélération du turbomoteur ou encore une extinction de la chambre de combustion lors d’une phase de décélération du turbomoteur.

Pour augmenter la précision de la mesure de la deuxième densité d20, dans l’exemple des figures 3A et 3B, l’action de mesure à la deuxième position E1 est complétée par une mesure de permittivité notée par la suite «deuxième permittivité ε20» en plus de la mesure de la deuxième température T20 et de la deuxième densité d20. Le procédé de détermination du débit massique Qm comprend en outre deux actions supplémentaires entre l’action de mesure E1 à la deuxième position de mesure et l’action de détermination E5 de la première densité d30, à savoir:

une action de détermination E2 d’une densité de consolidation d20* à partir de la deuxième température T20 et de la deuxième permittivité ε20et
une action de détermination E3 d’une densité consolidée d20-c à partir de la deuxième densité d20 et de la densité de consolidation d20*.

L’action de détermination E5 de la première densité d30 est alors mise en œuvre à partir de la densité consolidée d20-c en lieu et place de la deuxième densité d20. De manière avantageuse, de telles actions supplémentaires permettent de vérifier la validité de la mesure de la deuxième densité d20 et ainsi de réduire davantage l’incertitude sur le débit massique Qm. Il va toutefois de soi que le procédé de détermination du débit massique Qm selon l’invention peut tout à fait être réalisé sans ces deux actions supplémentaires.

On décrit par la suite dans l’ordre chronologique la mise en œuvre de chacune des actions du procédé de détermination du débit massique Qm de carburant F dosé par la vanne de dosage 14.

En référence à la figure 3B, l’action de mesure E4 à la première position de mesure est réalisée dans un premier temps, simultanément à l’action de mesure E1 à la deuxième position de mesure, à l’action de détermination E2 de la densité de consolidation d20* et à l’action de détermination E3 de la densité consolidée d20-c. Comme illustré sur les figures 3A et 3B, au cours de l’action de mesure E4 à la première position de mesure, le débit volumique Q30 et la première température T30 du carburant F sont mesurés par un premier dispositif de mesure 31 positionné entre la vanne de dosage 14 et les injecteurs 15. Le premier dispositif de mesure 31 correspond de préférence au dispositif de mesure 51 (voir figure 1) de l’art antérieur décrit précédemment, c’est-à-dire qu’il comprend une turbine volumétrique permettant de mesurer le débit volumique Q30 du carburant F à partir de la vitesse de rotation de l’hélice ainsi qu’un capteur de température. Un tel premier dispositif de mesure 31 est connu de l’homme du métier et ne sera pas décrit davantage. De manière avantageuse, un tel premier dispositif de mesure 31 permet de réaliser le procédé selon l’invention sur des circuits de carburant 10 existants sans aucune modification, ce qui limite le coût et l’encombrement. A la première position de mesure, l’écoulement de fluide est turbulent, notamment à cause des vibrations du moteur.

A la fin de l’action de mesure E4 à la première position de mesure, le débit volumique Q30 et la première température T30 sont transmis à un premier organe de calcul 32 et à une première base de données 33, formant avec le premier dispositif de mesure 31 un premier module 30. De préférence, le premier module 30 correspond au système de mesure du débit massique 50 (voir figure 1) de l’art antérieur décrit précédemment, toujours pour limiter le coût et l’encombrement. Le premier module 30 appartient au système du turbomoteur. L’action de mesure E4 à la première position de mesure est ainsi réalisée entièrement en réutilisant le système de détermination du débit massique 50 de l’art antérieur, ce qui est avantageux.

Toujours en référence aux figures 3A et 3B, au cours de l’action de mesure E1 à la deuxième position de mesure, la deuxième densité d20, la deuxième température T20 et la deuxième permittivité ε20du carburant F sont mesurées par un deuxième dispositif de mesure 21 positionné dans le réservoir R dans lequel l’écoulement est moins turbulent qu’à la première position de mesure, car notamment moins soumis aux vibrations du moteur.

De préférence, le deuxième dispositif de mesure 21 comprend un capteur électrique de déplacement, connu sous sa dénomination anglaise «Rotary Variable Differential Transformer» et d’abréviation «RVDT», permettant de mesurer la deuxième densité d20 du carburant F à partir de la position d’une masse immergée dans le carburant F et reliée à un ressort, ainsi qu’un capteur de température et des électrodes de mesure de la permittivité. Un tel deuxième dispositif de mesure 21 est connu de l’homme du métier et ne sera pas décrit davantage. Compte tenu des conditions favorables de mesure dans le réservoir R, il va de soi que la deuxième densité d20 pourrait être mesurée de manière différente.

A la fin de l’action de mesure E1 à la deuxième position de mesure, la deuxième densité d20, la deuxième température T20 et la deuxième permittivité ε20 sont transmises à un deuxième organe de calcul 22 et à une deuxième base de données 23, formant avec le deuxième dispositif de mesure 21 un deuxième module 20. De préférence, le deuxième module 20 appartient au système de gestion de carburant de l’aéronef. Pour rappel, le système de gestion de carburant est propre à l’aéronef et configuré pour évaluer la quantité de carburant F restante dans le réservoir R et pour surveiller la consommation de carburant F, ainsi que pour fournir ces données au poste de pilotage P. Un tel système de gestion de carburant est connu de l’homme du métier et ne sera pas décrit davantage.

Toujours en référence aux figures 3A et 3B, l’action de détermination E2 de la densité de consolidation d20* succède à l’action de mesure E1 à la deuxième position de mesure. Au cours d’une telle action de détermination E2, le deuxième organe de calcul 22 détermine la densité du carburant F correspondant aux mesures conjointes de la deuxième température T20 et de la deuxième permittivité ε20 du carburant F, notée «densité de consolidation d20*», par recherche dans la deuxième base de données 23 associant des densités à des couples de permittivité et de température.

Toujours en référence aux figures 3A et 3B, l’action de détermination E3 de la densité consolidée d20-c succède à l’action de détermination E2 de la densité de consolidation d20*. Au cours d’une telle action de détermination E3, le deuxième organe de calcul 22 compare la deuxième densité d20 et la densité de consolidation d20*, en particulier par simple différence. Si la différence obtenue est inférieure ou égale à une valeur seuil, par exemple 3% de la deuxième densité d20, la deuxième densité d20 est conservée et notée «densité consolidée d20-c». Si la différence obtenue est supérieure à la valeur seuil, l’action de mesure E1 à la deuxième position de mesure ainsi que l’action de détermination E2 de la densité de consolidation d20* sont reconduites pour obtenir de nouvelles mesures de la deuxième densité d20, de la deuxième température T20 et de la deuxième permittivité ε20. A la fin de l’action de détermination E3, la densité consolidée d20-c et la deuxième température T20 sont transmises du deuxième module 20 au premier module 30 et plus précisément du deuxième organe de calcul 22 au premier organe de calcul 32.

De préférence, les trois actions de mesure E1 à la deuxième position de mesure, de détermination E2 de la densité de consolidation d20* et de détermination E3 de la densité consolidée d20-c sont mises en œuvre parallèlement à l’action de mesure E4 à la première action de mesure, étant mises en œuvre avec des moyens différents, de manière à limiter le temps de mise en œuvre du procédé de détermination du débit massique Qm.

En référence aux figures 3A et 3B, avant l’action de détermination E5 de la première densité d30, la densité consolidée d20-c, la deuxième température T20 et la première température T30 ont été transmises au premier organe de calcul 32 appartenant à l’environnement du turbomoteur.

Au cours d’une telle action de détermination E5, le premier organe de calcul 32 identifie tout d’abord le type de carburant correspondant aux mesures conjointes de la densité consolidée d20 et de la deuxième température T20 par recherche dans la première base de données 33 associant des types de carburant à des couples de densité et de température. Le premier organe de calcul 32 détermine ensuite la première densité d30 associée à la première température T30 par recherche dans la première base de données 33 associant des densités à des couples de type de carburant et de température. Autrement dit, la deuxième densité d20 mesurée avec une grande précision à la deuxième position est convertie en une première densité d30 correspondant à celle de la première position. L’utilisation des températures T20, T30 permet de réaliser une conversion pertinente. La première base de données 33 permet ainsi de normaliser les mesures de la deuxième position à la première position qui est pertinente pour déterminer le débit massique.

Toujours en référence aux figures 3A et 3B, l’action de calcul E6 succède à l’action de détermination E5 de la première densité d30 à la première position et est mise en œuvre par le premier organe de calcul 32 en calculant le débit massique Qm du carburant F dosé par la vanne de dosage 14 à partir de la première densité d30 et du débit volumique Q30, en particulier par simple multiplication.

En résumé, le procédé de détermination du débit massique Qm est mis en œuvre en mesurant, d’une part entre la vanne de dosage 14 et les injecteurs 15, un débit volumique Q30 et une première température T30, et d’autre part dans le réservoir R, une deuxième température T20 et une deuxième densité d20 associée. Le débit massique Qm est ensuite obtenu par multiplication du débit volumique Q30 et d’une première densité d30 associée à la première température T30, obtenue à partir des mesures conjointes de la deuxième température T20 et de la deuxième densité d20. Ce procédé présente l’avantage d’améliorer la précision de la mesure du débit massique Qm en obtenant la première densité d30 à partir d’une mesure dans le réservoir R où les conditions d’écoulement permettent une mesure précise et fiable. Par ailleurs, ce procédé utilise le système de détermination du débit massique 50 (voir figure 1) de l’art antérieur, ce qui limite l’encombrement et le coût, en le reliant de manière inédite au système de gestion de carburant borné au suivi de la consommation de carburant et décorrélé de la vanne de dosage 14.

On désigne par la suite «système de détermination du débit massique S» l’ensemble du premier module 30 et du deuxième module 20 reliés ensemble selon l’invention. A noter que le premier module 30 pourrait tout à fait être indépendant du système de détermination du débit massique 50 (voir figure 1) selon l’art antérieur, en particulier pour mesurer un débit massique autre que celui dosé par la vanne de dosage 14. A titre d’exemple, le procédé selon l’invention pourrait tout à fait être mis en œuvre pour déterminer le débit massique pompé par la pompe basse pression 11 et/ou la pompe haute pression 13, la première position de mesure étant alors située en aval de la pompe basse pression 11 et/ou de la pompe haute pression 13. Le premier dispositif de mesure 31 pourrait ainsi être un dispositif de mesure de débit volumique, de température et de permittivité quelconque. Par ailleurs, il va de soi que le premier organe de calcul 32 et le deuxième organe de calcul 22 pourraient former une unique entité. De même la première base de données 33 et la deuxième base de données 23 pourraient former une unique entité et/ou être incluses dans le premier organe de calcul 32 et/ou le deuxième organe de calcul 22.

Par ailleurs, il va de soi que l’invention ne se limite pas à un procédé et un système de détermination du débit massique Qm d’un carburant F dans un circuit de carburant 10 d’un turbomoteur d’aéronef, cette application étant uniquement donnée à titre d’exemple. Le procédé et le système selon l’invention permettent en effet de déterminer le débit massique d’un fluide quelconque dans un circuit de fluide quelconque. A titre d’exemples, le procédé et le système selon l’invention pourrait tout à fait être utilisés pour déterminer le débit massique d’un carburant d’un circuit de carburant de moteur quelconque ou d’une huile d’un circuit d’huile de moteur quelconque ou encore d’un fluide de refroidissement d’un circuit de refroidissement de moteur quelconque.

On décrit par la suite trois modes de réalisation alternatifs du procédé de détermination du débit massique Qm selon l’invention. Par souci de concision, seules les différences de chaque mode de réalisation alternatif par rapport au mode de réalisation précédemment décrit sont présentées. Il va de soi que l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits mais englobe toute combinaison possible des caractéristiques des modes de réalisation décrits.

En référence aux figures 4A et 4B, selon un premier mode de réalisation alternatif, le turbomoteur d’aéronef comprend plusieurs réservoirs R, R-i alimentant le circuit de carburant 10 et chaque réservoir R, R-i est équipé d’un deuxième dispositif de mesure 21, 21-i. Le procédé de détermination du débit massique Qm du carburant F comprend une action de mesure E0 d’une densité, dite «densité de préconsolidation d20-i» au moyen des deuxièmes dispositifs de mesure 21-i dans chacun des réservoirs R-i autres que le réservoir R de la deuxième position de mesure, notés ici «réservoirs de préconsolidation R-i». A la fin de l’action de mesure E0, des densités de préconsolidation d20-i sont transmises au deuxième organe de calcul 22.

Toujours en référence aux figures 4A et 4B, selon le premier mode de réalisation alternatif, le procédé de détermination du débit massique Qm du carburant F comprend en outre une action de détermination E1’ d’une densité préconsolidée d20-p mise en œuvre après les actions de mesure E0, E1 dans les réservoirs R, R-i et avant l’action de détermination E3 de la densité consolidée d20-c. Au cours de l’action de détermination E1’ d’une densité préconsolidée d20-p, le deuxième organe de calcul 22 compare la deuxième densité d20 à chacune des densités de préconsolidation d20-i, en particulier par simple différence. Si la différence obtenue est inférieure ou égale à une valeur seuil, par exemple 1% de la deuxième densité, la deuxième densité d20 est conservée et forme la densité préconsolidée d20-p. Si la différence obtenue est supérieure à la valeur seuil, l’action de mesure E1 à la deuxième position de mesure est reconduite pour obtenir de nouvelles mesures de la deuxième densité d20 et des densités de préconsolidation d20-i. De manière alternative, en présence de trois mesures ou plus, c’est-à-dire la deuxième densité d20 et deux densités de préconsolidation d20-i ou plus, la densité préconsolidée d20-p est déterminée à la majorité, à partir des deux mesures les plus proches l’une de l’autre dans le cas de trois mesures. Ce mode de réalisation alternatif peut notamment présenter un intérêt pour des réservoirs R, R-i stockant différents types de carburant F et alimentant chacun le circuit de carburant 10. A la fin de l’action de détermination E1’ de la densité préconsolidée d20-p, la densité préconsolidée d20-p est utilisée en lieu et place de la deuxième densité d20 pour mettre en œuvre l’action de détermination E3 de la densité consolidée d20-c.

Il va de soi qu’une densité de préconsolidation d20-i pourrait être mesurée dans une partie des réservoirs auxiliaires R-i seulement ou encore dans une ou plusieurs positions de mesure de préconsolidation autres dans lequel le carburant F est dans les mêmes conditions physiques, notamment de température. De préférence, dans les positions de mesure de préconsolidation, l’écoulement du carburant F n’est pas turbulent, de manière à obtenir des mesures précises de densités de préconsolidation d20-i. Il va également de soi que les densités de préconsolidation d20-i pourraient être mesurées avec des dispositifs de mesure de la densité quelconques, différents du deuxième dispositif de mesure 21. Par ailleurs, de préférence, l’action de mesure E0 dans les réservoirs de préconsolidation R-i comprend la mesure d’une température de préconsolidation associée à chaque densité de préconsolidation d20-i. L’action de détermination E1’ d’une densité préconsolidée d20-p comprend quant à elle la détermination d’une température préconsolidée à partir de la deuxième température T20 et des températures de préconsolidation. Dans ce cas, la température préconsolidée est utilisée en lieu et place de la deuxième température T20 pour mettre en œuvre l’action de détermination E5 de la première densité d30.

De manière avantageuse, ce premier mode de réalisation alternatif permet de réduire l’incertitude de la mesure de la deuxième densité d20 ainsi que de la deuxième température T20. Tandis que l’action de détermination E3 de la densité consolidée d20-c permet de comparer la deuxième densité d20 avec une densité de consolidation d20* obtenue par calcul avec les propriétés physiques du réservoir d’intérêt R, l’action de détermination E1’ d’une densité préconsolidée d20-p permet quant à elle de comparer la deuxième densité d20* avec des densités de préconsolidation d20-i obtenues par mesure à d’autres points de mesure pertinents.

En référence aux figures 5A et 5B, selon un deuxième mode de réalisation alternatif, au cours de l’action de mesure E4 à la première position de mesure, soit entre la vanne de dosage 14 et les injecteurs 15, le premier dispositif de mesure 31 mesure la permittivité associée à la première température T30, dite «première permittivité ε30». A la fin de l’action de mesure E4, la première température T30 et la première permittivité ε30 sont transmises au premier organe de calcul 31.

Toujours en référence aux figures 5A et 5B, selon le deuxième mode de réalisation alternatif, le procédé de détermination du débit massique Qm du carburant F comprend en outre deux actions supplémentaires entre l’action de calcul E4 à la première position de mesure et l’action de calcul E6 du débit massique Qm, à savoir une action de détermination E4’ d’une densité de correction d30* et une action de détermination E5’ d’une densité corrigée d30-c. Au cours de l’action de détermination de E4’ de la densité de correction d30*, le premier organe de calcul 32 détermine la densité de correction d30* du carburant F correspondant aux mesures conjointes de la première température T30 et de la première permittivité ε30 du carburant F par recherche dans la première base de données 33 associant des densités à des couples de permittivité et de température.

Comme illustré sur les figures 5A et 5B, au cours de l’action de détermination E5’ de la densité corrigée d30-c, le premier organe de calcul 32 compare la première densité d30 à la densité de correction d30*, en particulier par simple différence. Si la différence obtenue est inférieure ou égale à une valeur seuil, par exemple 3% de la première densité d30, la première densité d30 est conservée et forme ladensité corrigée d30-c. Si la différence obtenue est supérieure à la valeur seuil, la densité corrigée d30-c est la moyenne pondérée de la première densité d30 et de la densité de correction d30*. De manière alternative, en cas de défaillance du deuxième dispositif de mesure 21, la densité de correction d30* peut former la densité corrigée d30-c. A la fin de l’action de détermination E5’, la densité corrigée d30-c est utilisée pour mettre en œuvre l’action de calcul E6.

De manière avantageuse, ce deuxième mode de réalisation alternatif permet également de réduire l’incertitude sur la mesure de la première densité d30 et fournit une mesure supplémentaire de densité obtenue avec des moyens différents, ce qui présente un intérêt dans un environnement avionique où la redondance des mesures est recherchée.

En référence aux figures 6A et 6B, selon un troisième mode de réalisation alternatif, au cours de l’action de mesure E4 à la première position de mesure, le débit volumique Q14 du carburant F est mesuré au niveau de la vanne de dosage 14 via la mesure du degré d’ouverture de ladite vanne de dosage 14. De manière avantageuse, ce troisième mode de réalisation alternatif permet de se passer de premier dispositif de mesure 31 en utilisant la vanne de dosage 14 pour mesurer le débit volumique Q14 et un capteur de température quelconque positionné en sortie de la vanne de dosage 14 pour mesurer la première température T30.

Claims

Procédé de détermination du débit massique (Qm) d’un fluide dans un circuit de fluide, en particulier pour la commande d’une vanne de dosage (14) du circuit de fluide, ledit circuit de fluide étant alimenté par au moins un réservoir (R) de fluide, ledit procédé comprenant:
une mesure (E4) d’au moins un débit volumique (Q30, Q14) et d’au moins une première température (T30) du fluide à une première position de mesure dans le circuit de fluide,

ledit procédé étantcaractérisé par le fait qu’il comprend:

une mesure (E1) d’au moins une deuxième densité (d20) et d’au moins une deuxième température (T20) du fluide à une deuxième position de mesure dans le réservoir (R),

une détermination (E5) d’une première densité (d30) du fluide associée à la première température (T30) à partir de la deuxième densité (d20), de la deuxième température (T20) et de la première température (T30) mesurées, et

un calcul (E6) du débit massique (Qm) du fluide à la première position de mesure à partir du débit volumique (Q30, Q14) mesuré et de la première densité (d30) du fluide.
Procédé de détermination selon la revendication 1, le fluide circulant d’amont en aval dans le circuit de fluide, l’action de mesure (E4) à la première position de mesure est mise en œuvre en aval de la vanne de dosage (14), de préférence, en sortie de la vanne de dosage (14).
Procédé de détermination selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel, au cours de l’action de mesure (E4) à la première position de mesure, au moins une première permittivité (ε30) est mesurée à la première position de mesure, ledit procédé comprenant:
une détermination (E4’) d’une densité de correction (d30*) à partir de la première température (T30) et de la première permittivité (ε30) mesurées,

une détermination (E5’) d’une densité corrigée (d30-c) à partir de la première densité (d30) et de la densité de correction (d30*) et

un calcul (E6) du débit massique (Qm) du fluide à la première position de mesure à partir du débit volumique (Q30, Q14) mesuré et de la densité corrigée (d30-c) du fluide.
Procédé de détermination selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, au cours de l’action de mesure (E1) à la deuxième position de mesure, au moins une deuxième permittivité (ε20) est mesurée à la deuxième position de mesure, ledit procédé comprenant:
une détermination (E2) d’une densité de consolidation (d20*) à partir de la deuxième température (T20) et de la deuxième permittivité (ε20) mesurées,

une détermination (E3) d’une densité consolidée (d20-c) à partir de la deuxième densité (d20) et de la densité de consolidation (d20*) et

une détermination (E5) d’une première densité (d30) du fluide associée à la première température (T30) à partir de la densité consolidée (d20-c), de la deuxième température (T20) et de la première température (T30).
Procédé de détermination selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant:
une mesure (E0) d’au moins une densité de préconsolidation (d20-i) à au moins une position de mesure de préconsolidation dans laquelle le fluide est dans les mêmes conditions physiques que dans la deuxième position de mesure,

une détermination (E1’) d’au moins une densité préconsolidée (d20-p) à partir de la deuxième densité (d20) et de la densité de préconsolidation (d20-i) et

une détermination (E3) d’une densité consolidée (d20-c) à partir de la densité préconsolidée (d20*p) et de la densité de consolidation (d20*).
Procédé de commande d’une vanne de dosage (14) d’un circuit de fluide, ledit procédé comprenantles actions du procédé de détermination du débit massique (Qm) selon l’une des revendications 1 à 5 et un calcul de la consigne (C) de la vanne de dosage (14) à partir d’au moins le débit massique (Qm).
Ensemble d’au moins un réservoir (R), d’un circuit de fluide alimenté par le réservoir (R) et d’un système de détermination du débit massique (S) d’un fluide dans le circuit de fluide, en particulier pour la commande d’une vanne de dosage (14) dans le circuit de fluide, ledit système (S) permettant la mise en œuvre du procédé de détermination du débit massique (Qm) selon l’une des revendications 1 à 5, ledit système (S) comprenant:
un premier dispositif de mesure (31) positionné à la première position de mesure dans le circuit de fluide et configuré pour mesurer au moins le débit volumique (Q30) et la première température (T30) du fluide,

un deuxième dispositif de mesure (21) positionné à la deuxième position de mesure dans le réservoir (R) et configuré pour mesurer au moins la deuxième densité (d20) et la deuxième température (T20) du fluide, et

une première base de données (33) associant des premières densités (d30) à des premières températures (T30), à des deuxièmes températures (T20) et à des deuxièmes densités (d20) et

un premier organe de calcul (32) configuré pour calculer le débit massique (Qm) du fluide à la première position de mesure à partir du débit volumique (Q30, Q14) mesuré et de la première densité (d30) du fluide.
Ensemble selon la revendication 7, dans lequel, le circuit de fluide comprenant une vanne de dosage (14), le fluide circulant d’amont en aval dans le circuit de fluide, le premier dispositif de mesure (31) est monté en aval de la vanne de dosage (14), de préférence, en sortie de la vanne de dosage (14).
Ensemble selon l’une des revendications 7 et 8, dans lequel le circuit de fluide se présente sous la forme d’un circuit de carburant de moteur.
Moteur comprenant l’ensemble selon la revendication 9.