FR3108139A1 - Procédé de contrôle d’une turbomachine comportant une machine électrique - Google Patents

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Abstract

Procédé de contrôle d’une turbomachine comportant une machine électrique L’invention concerne un procédé de contrôle d’une turbomachine (T) comprenant un générateur de gaz, la turbomachine comprenant une machine électrique (ME) formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un des arbres de rotation basse pression/haute pression dudit générateur de gaz. Ledit procédé comporte une étape de mise en œuvre d’une boucle de régulation de carburant afin de déterminer une consigne de débit de carburant (QCMD) dans la chambre de combustion, et comportant, en cas d’atteinte d’au moins une butée d’opérabilité, une détermination d’une consigne corrigée de débit de carburant, ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart par rapport à la consigne. Ledit procédé comporte également une étape de mise en œuvre d’une boucle de régulation de couple afin de déterminer une consigne de couple (TRQCMD) pour la machine électrique, et comportant une détermination d’une grandeur de correction de couple en fonction dudit écart, ladite consigne de couple étant déterminée en fonction de ladite grandeur de correction de couple. Figure pour l’abrégé : Fig. 5

Description

Procédé de contrôle d’une turbomachine comportant une machine électrique
La présente invention appartient au domaine général de l’aéronautique, et notamment celui des turbomachines. Elle concerne plus particulièrement un procédé de contrôle d’une turbomachine, ladite turbomachine comprenant un corps basse pression et un corps haute pression respectivement entraînés par un arbre de rotation basse pression et un arbre de rotation haute pression, ainsi qu’au moins une machine électrique formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation.
En référence à lafigure 1, il est représenté de manière schématique une turbomachine 100 comportant un générateur de gaz. Plus particulièrement, l’exemple de la figure 1 illustre une turbomachine 100 du type turboréacteur à double flux et double corps pour aéronef.
De manière connue, la turbomachine 100 comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 110, un compresseur basse pression 111, un compresseur haute pression 112, une chambre de combustion 113 qui reçoit une consigne de débit de carburant QCMD, une turbine haute pression 114, une turbine basse pression 115 et une tuyère primaire d'échappement 116. Le compresseur basse pression (ou BP) 111 et la turbine basse pression 115 sont reliés par un arbre basse pression 121 et forment ensemble un corps basse pression. Le compresseur haute pression (ou HP) 112 et la turbine haute pression 114 sont reliés par un arbre haute pression 122 et forment ensemble, avec la chambre de combustion, un corps haute pression. La soufflante 110, qui est entraînée par l'arbre BP 121, comprime l'air ingéré. Cet air se divise en aval de la soufflante 110 entre un flux d'air secondaire qui est dirigé directement vers une tuyère secondaire (non représentée) par laquelle il est éjecté pour participer à la poussée fournie par la turbomachine 100, et un flux dit primaire qui pénètre dans le générateur de gaz, constitué par le corps basse pression et le corps haute pression, puis qui est éjecté dans la tuyère primaire 116.
Conventionnellement, la consigne de débit de carburant QCMD est déterminée en fonction d'une différence entre le régime de la turbomachine et un régime de consigne qui dépend d'une position d'une manette de commande manipulable par le pilote. A cet effet, une boucle de régulation de carburant est mise en œuvre par un dispositif de contrôle, généralement intégré dans le calculateur du dispositif de régulation pleine autorité, encore dit «FADEC» (acronyme de l’expression anglo-saxonne «Full Authority Digital Engine Control»), équipant la turbomachine.
La boucle de régulation de carburant vise également à s'assurer que le débit de carburant injecté dans la chambre de combustion, en phase d'accélération ou de décélération (i.e. phase transitoire), ne dépasse pas au moins une valeur seuil donnée, dite «butée d’opérabilité», au-delà de laquelle un dysfonctionnement du moteur peut être rencontré. En d’autres termes, ladite boucle de régulation de carburant permet de gérer la pilotabilité ainsi que l’opérabilité de la turbomachine 100.
Par «opérabilité», on fait référence ici, de manière connue en soi, au fait de garantir le bon fonctionnement de la turbomachine 100. Plus particulièrement, il s’agit de garantir que la ligne de fonctionnement de la turbomachine 100 est maintenue dans une zone de fonctionnement autorisée, de sorte à ne pas franchir les limitations imposées par la physique des composants équipant la turbomachine 100.
A titre d’exemple nullement limitatif, pour opérer la turbomachine 100 et plus particulièrement son compresseur HP 112, on implémente des valeurs seuil de protection correspondant respectivement à une butée d'accélération et à une butée de décélération. Ces butées d’opérabilité sont déterminées à partir de limites portant sur un ratio C/P du débit carburant C injecté dans la chambre de combustion sur la pression statique P mesurée en entrée de la chambre de combustion. Ces limites du ratio C/P sont fixées, de façon connue en soi, pour se préserver d'un pompage en accélération et d'une extinction du moteur en décélération. Autrement dit, ces limites correspondent à des contraintes de conception de la turbomachine 100 qu’il convient de respecter en vue d’assurer l’opérabilité du moteur.
Ainsi, le concepteur d'une turbomachine doit donc essayer d'optimiser le placement de la ligne de fonctionnement en la plaçant le plus haut possible, de façon à bénéficier de meilleurs rendements pour ses compresseurs, tout en gardant une distance (i.e. une marge) suffisante vis à vis des butées d’opérabilité, de sorte à permettre des accélérations/décélérations sûres.
Une autre contrainte à prendre en compte tient au fait que le temps d’accélération ou de décélération d’un moteur dépend directement de la marge dont on dispose vis-à-vis des butées d’opérabilité. Par exemple, lorsque le pilote commande une accélération du régime moteur, il peut arriver que le régime courant n’arrive pas à suivre la trajectoire d’accélération ainsi commandée, car cette dernière imposerait un dépassement de la butée d’accélération, conduisant ainsi à un pompage. Aussi, dans ce cas, le régime courant augmente de manière lente, avec un retard, afin de préserver la turbomachine.
Afin d’améliorer le temps de réponse d’une turbomachine lors d’une phase transitoire, tout en limitant l’impact des contraintes de conception liées aux butées d’opérabilité, il a notamment été proposé d’hybrider la turbomachine 100 en l’équipant d’une machine électrique. Une telle machine électrique est configurée pour injecter et/ou prélever un couple sur un des arbres de rotation respectivement associés aux corps basse pression et haute pression.
Le document WO2016/020618 décrit une mise en œuvre dans laquelle une telle machine électrique est utilisée. Cela étant, cette mise en œuvre reste peu précise quant à la manière dont est pilotée la machine électrique. En particulier, il n’est pas proposé de stratégie explicite et reproductible de pilotage de la machine électrique pour optimiser le fonctionnement et l’opérabilité de la turbomachine.
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant, en proposant une solution qui permette de réguler de manière efficace un couple généré par au moins une machine électrique équipant une turbomachine hybridée, de sorte à obtenir un excellent temps de réponse de la turbomachine, une amélioration de l’opérabilité de celle-ci ainsi qu’une limitation de la consommation électrique de ladite au moins une machine électrique.
A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de contrôle d’une turbomachine comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion, un arbre de rotation basse pression ainsi qu’un arbre de rotation haute pression, la turbomachine comprenant au moins une machine électrique formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation. En outre, ledit procédé comporte une étape de mise en œuvre d’une boucle de régulation de carburant afin de déterminer une consigne de débit de carburant dans la chambre de combustion, et comportant:
- une surveillance de la turbomachine destinée à détecter l’atteinte d’au moins une butée d’opérabilité de ladite turbomachine,
- si ladite au moins une butée d’opérabilité est atteinte, une détermination d’une consigne corrigée de débit de carburant, ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart, dit «écart de débit», par rapport à la consigne courante de débit de carburant.
Ledit procédé comporte également une étape de mise en œuvre d’une boucle de régulation de couple afin de déterminer une consigne de couple pour ladite au moins une machine électrique, et comportantune détermination d’une grandeur de correction de couple en fonction dudit écart de débit, ladite consigne de couple étant déterminée en fonction de ladite grandeur de correction de couple.
Ainsi, selon ledit procédé de contrôle, la boucle de régulation de couple permet d’agir de concert avec la boucle de régulation de débit de carburant quand cette dernière est limitée dans sa régulation, en raison, par exemple, des potentiels phénomènes de pompage ou d’extinction. La boucle de régulation de couple permet donc de relâcher la marge disponible vis-à-vis des contraintes de conception de la turbomachine. L’opérabilité de la turbomachine est ainsi améliorée.
Par exemple, dans le cas des phénomènes de pompage et d’extinction, la boucle de régulation de couple permet avantageusement d’écarter les limites de pompage et d’extinction de la turbomachine pour permettre une meilleure régulation de la consigne de carburant.
De manière avantageuse, la boucle de régulation de couple ne se substitue pas à la boucle de régulation du débit de carburant mais vient à son soutien lorsque des limites de fonctionnement sont atteintes, c’est-à-dire lorsque une ou plusieurs butée d’opérabilité sont atteintes. La régulation du régime n’est ainsi pas bouleversée dans ses fondamentaux, ce qui assure une régulation fiable, et donc in fine un bien meilleur temps de réponse de la turbomachine en comparaison avec les solutions de l'art antérieur.
Par ailleurs, ledit procédé de contrôle se distingue de manière remarquable de l’art antérieur en ce que la grandeur de correction de couple est déterminée en fonction de l’écart de débit. En effet, de telles dispositions sont particulièrement avantageuses car elles permettent de tenir compte de la réalité physique de la turbomachine, en particulier de son fonctionnement, et ceci indépendamment du régime (transitoire ou bien stabilisé).
Par «réalité physique», on fait référence ici au fait que le fonctionnement de ladite au moins une machine électrique est relié à la variation effective de débit de carburant. Autrement dit, les aspects thermodynamiques intervenant dans la variation du débit de carburant sont pris en compte dans la détermination de la grandeur.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé de contrôle peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, la grandeur de correction de couple de couple est déterminée égale à:

expression dans laquelle:
- EC_DEB correspond à l’écart de débit,
- FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant,
- N correspond au régime de rotation de l’arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par ladite au moins une machine électrique (ME),
- C_1 est une valeur constante,
- η correspond au rendement thermique du générateur de gaz..
Une telle expression, établie par les inventeurs, est particulièrement remarquable en ce qu’elle permet de déterminer de manière simple, rapide et peu dispendieuse, la grandeur de correction de couple. En outre, le caractère générique de cette expression permet d’envisager une application de l’invention à tout type de machine industrielle équipée d’une turbomachine selon l’invention.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le rendement η du générateur de gaz s’exprime sous la forme suivante:

expression dans laquelle:
- M correspond à la vitesse Mach,
- γ correspond à un rapport entre une capacité thermique isobare et une capacité thermique isochore,
- OPR correspond à un taux de pression globale du générateur de gaz.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, la grandeur de correction de couple est déterminée suivant l’expression suivante:

expression dans laquelle:
- EC_DEB correspond à l’écart de débit,
- FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant,
- N correspond au régime de rotation de l’arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par ladite au moins une machine électrique (ME),
- C’_1 est une valeur constante.
Une telle expression de la grandeur de correction de couple est particulièrement simple à calculer dans la mesure où le rendement est considéré comme constant, ce qui peut être justifié par le fait que les fluctuations dudit rendement η sont mineures hors ralenti.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, ladite au moins une butée d’opérabilité correspond à l’un quelconque des paramètres suivants:
- une butée C/P,
- une butée relative à un régime mécanique N1,
- une butée relative à un régime mécanique N2,
- une butée relative à une température de gaz d’échappement en entrée d’une turbine basse pression de la turbomachine.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un système de contrôle d’une turbomachine comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion, un arbre de rotation basse pression ainsi qu’un arbre de rotation haute pression, la turbomachine comprenant au moins une machine électrique formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation. En outre, ledit système de contrôle comporte une boucle de régulation de carburant pour déterminer une consigne de débit de carburant dans la chambre de combustion, ladite boucle de régulation de carburant comportant:
- un module de surveillance de la turbomachine, configuré pour détecter l’atteinte d’au moins une butée d’opérabilité de ladite turbomachine,
- un module de détermination, configuré pour déterminer une consigne corrigée de débit de carburant si ladite au moins une butée d’opérabilité est atteinte, ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart, dit «écart de débit», par rapport à la consigne courante de débit de carburant.
Ledit système de contrôle comporte également une boucle de régulation de couple pour déterminer une consigne de couple pour ladite au moins une machine électrique, ladite boucle de régulation de couple comportant:
- un premier module de détermination, configuré pour déterminer une grandeur de correction de couple en fonction dudit écart de débit,
- un deuxième module de détermination, configuré pour déterminer ladite consigne de couple en fonction de ladite grandeur de correction de couple.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion, un arbre de rotation basse pression ainsi qu’un arbre de rotation haute pression, la turbomachine comprenant au moins une machine électrique formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur au moins un desdits arbres de rotation ainsi qu’un système de contrôle selon l’invention.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un aéronef comportant une turbomachine selon l’invention.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
la figure 1 représente schématiquement une turbomachine comportant un générateur de gaz conformément à l’art antérieur ;
la figure 2 représente schématiquement, dans son environnement, un mode de réalisation d’une turbomachine selon l’invention ;
la figure 3 représente un exemple d’architecture matérielle d’un système de contrôle selon l’inventionappartenant à la turbomachine de la figure 2 ;
la figure 4 représente schématiquement un exemple de fonctionnement de deux boucles de régulation selon l’invention, une boucle B1 de régulation de débit de carburant et une boucle B2 de régulation de couple, lesdites boucles B1, B2 appartenant au système de contrôle de la figure 3;
la figure 5 représente, sous forme d’ordinogramme, les principales étapes d’un procédé de contrôle selon l’invention.
La présente invention appartient au domaine de la régulation (i.e. du contrôle) du fonctionnement d’une turbomachine comportant un générateur de gaz.
Pour la suite de la description, on considère de manière nullement limitative une turbomachine du type turboréacteur à double flux et double corps pour aéronef, comme par exemple un avion civil apte à transporter des passagers. Il convient toutefois de noter que l’invention reste applicable quel que soit le type de turbomachine considéré, dès lors que cette dernière comporte un générateur de gaz. Par exemple, il est possible d’envisager un turbomoteur, un turbofan, etc.
En outre, l’invention reste également applicable pour tout type d’aéronef (avion, hélicoptère, etc.), mais, plus largement, pour tout type de machine industrielle équipée d’une turbomachine selon l’invention.
Lafigure 2représente schématiquement, dans son environnement, un mode de réalisation d’une turbomachine T selon l’invention.
La turbomachine T admet une configuration générale au moins conforme à l’état de l’art. A titre d’exemple nullement limitatif, une telle configuration générale a été décrite ci-avant en référence à la figure 1.
Ainsi, la turbomachine T comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 10, un compresseur basse pression 11, un compresseur haute pression 12, une chambre de combustion 13 qui reçoit une consigne de débit de carburant QCMD, une turbine haute pression 14, une turbine basse pression 15 et une tuyère primaire d'échappement 16. Le compresseur basse pression (ou BP) 11 et la turbine basse pression 15 sont reliés par un arbre basse pression 21 et forment ensemble un corps basse pression. Le compresseur haute pression (ou HP) 12 et la turbine haute pression 14 sont reliés par un arbre haute pression 22 et forment ensemble, avec la chambre de combustion, un corps haute pression. La soufflante 10, qui est entraînée par l'arbre BP 21, comprime l'air ingéré. Cet air se divise en aval de la soufflante 10 entre un flux d'air secondaire qui est dirigé directement vers une tuyère secondaire (non représentée) par laquelle il est éjecté pour participer à la poussée fournie par la turbomachine T, et un flux dit primaire qui pénètre dans le générateur de gaz, constitué par le corps basse pression et le corps haute pression, puis qui est éjecté dans la tuyère primaire 16.
De manière connue, le fonctionnement de la turbomachine T est commandé par un dispositif de régulation pleine autorité, dit «FADEC» 20. En outre, pour modifier le régime de la turbomachine T, le pilote de l’aéronef modifie la position d’une manette de commande, ce qui a pour effet de modifier la consigne de débit de carburant QCMD dans la chambre de combustion 13.
La turbomachine T selon l’invention comporte également au moins une machine électrique ME. De manière conventionnelle, ladite au moins une machine électrique ME forme un dispositif d’injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation. Le couple généré par la machine électrique ME est généré par celle-ci sur réception d’une consigne de couple TRQCMD, comme cela est détaillé ultérieurement.
Pour la suite de la description, et tel qu’illustré par la figure 2, on considère de manière nullement limitative que la turbomachine T comporte une seule machine électrique ME et que l’arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé un couple grâce à la machine électrique ME est l’arbre haute pression 22. Rien n’exclut cependant d’envisager que l’arbre de rotation sur lequel agit cette seule machine électrique ME est l’arbre basse pression 21. Rien n’exclut non plus d’envisager que la turbomachine T comporte une pluralité de machines électriques T aptes à injecter/prélever du couple sur un seuls desdits arbres ou bien encore sur des arbres distincts.
Ainsi, la machine électrique ME est configurée, selon un premier mode de fonctionnement, pour générer un couple apte à entraîner l’arbre haute pression 22. De manière classique, un tel premier mode de fonctionnement correspond à un «mode de fonctionnement moteur». La machine électrique ME est par ailleurs configurée, selon un deuxième mode de fonctionnement, pour générer un couple apte à prélever de l’énergie mécanique sur l’arbre haute pression 22, cette énergie prélevée pouvant par exemple être utilisée à des fins d’alimentation d’au moins un équipement électrique de la turbomachine T, comme par exemple le dispositif de régulation pleine autorité FADEC. Là encore, de manière classique, un tel deuxième mode de fonctionnement correspond à un «mode de fonctionnement générateur».
L’homme du métier peut se référer au document WO2016/020618 en ce qui concerne la réalisation et la mise en œuvre d’une telle machine électrique ME pour une turbomachine, ces aspects n’étant dès lors pas détaillés plus avant ici.
Conformément à l’invention, la turbomachine T comporte également un système de contrôle SYS_C comportant une boucle de régulation de la consigne de carburant QCMD, dite «première boucle B1», ainsi qu’une boucle de régulation de la consigne de couple TRQCMD, dite «deuxième boucle B2». Lesdites première boucle B1 et deuxième boucle B2 sont mises en œuvre, selon l’invention, suivant un procédé de contrôle explicité ultérieurement.
Dans le présent mode de réalisation, ledit système de contrôle SYS_C est intégré dans le FADEC 20, plus particulièrement dans le calculateur de ce dernier. Aucune limitation n’est toutefois attachée à la localisation dudit système de contrôle SYS_C au sein de la turbomachine T dès lors que ce dernier est en mesure de mettre en œuvre le contrôle de ladite turbomachine T via lesdites deux boucles de régulation B1 et B2.
Pour la suite de la description, on considère de manière nullement limitative que les boucles de régulation B1 et B2 sont intégrées au sein d’une même entité qui forme un dispositif de contrôle avec lequel se confond ledit système de contrôle SYS_C. Rien n’exclut cependant d’envisager, suivant d’autres exemples non détaillés ici, que la première boucle B1 et la deuxième boucle B2 sont intégrées au sein respectivement d’un premier dispositif de contrôle et d’un deuxième dispositif de contrôle, ces dispositifs étant eux-mêmes intégrés au système de contrôle SYS_C.
Lafigure 3représente schématiquement un exemple d’architecture matérielle du système de contrôle SYS_C selon l’invention.
Tel qu’illustré par la figure 3, le système de contrôle SYS_C selon l’invention dispose de l’architecture matérielle d’un ordinateur. Ainsi, ledit système de contrôle SYS_C comporte, notamment, un processeur 1, une mémoire vive 2, une mémoire morte 3 et une mémoire non volatile 4. Il dispose en outre de moyens de communication 5.
Les moyens de communication 5 permettent notamment au système de contrôle SYS_C d’émettre la consigne de couple TRQCMD vers la machine électrique ME, cette dernière étant donc équipée de moyens de communications configurés pour recevoir ladite consigne de couple TRQCMD. Les moyens de communication 5 permettent également au système de contrôle SYS_C de recevoir des mesures de grandeurs physiques acquises par des moyens d’acquisition équipant la turbomachine T. Les moyens de communication 5 comportent par exemple un bus de données informatiques apte à la transmission desdites consignes ainsi que desdites mesures de grandeurs physiques. Selon un autre exemple, les moyens de communication 5 comportent une interface de communication, filaire ou non filaire, apte à mettre en œuvre tout protocole adapté connu de l’homme du métier (Ethernet, Wifi, Bluetooth, 3G, 4G, 5G, etc.).
Lesdites mesures de grandeurs physiques correspondent par exemple à des mesures de pression, de régime de rotation d’arbres, de vitesse d’aéronef. Par ailleurs, les moyens d’acquisition configurés pour acquérir lesdites mesures comportent de manière connue une chaine d’acquisition comportant un capteur dédié à la mesure de chacune desdites grandeurs. D’une manière générale, la configuration de tels moyens d’acquisition est bien connue de l’homme du métier et n’est par conséquent détaillée plus avant ici. En outre, l’homme du métier saura également déterminer quelles grandeurs physiques nécessitent d’être mesurées afin que le procédé de contrôle selon l’invention puisse être exécuté, au regard des modes de mises en œuvre décrits ci-après pour le procédé de contrôle selon l’invention.
La mémoire morte 3 du système de contrôle SYS_C constitue un support d’enregistrement conforme à l’invention, lisible par le processeur et sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur PROG conforme à l’invention, comportant des instructions pour l’exécution des étapes du procédé de contrôle selon l’invention. Le programme PROG définit des modules fonctionnels de la première boucle de contrôle B1 et de la deuxième boucle de contrôle B2, qui s’appuient ou commandent les éléments matériels 2 à 5 dudit système de contrôle SYS_C cités précédemment.
Ainsi, la première boucle B1 comporte notamment:
- un module de surveillance MOD_B1_SUR de la turbomachine T, configuré pour détecter l’atteinte d’au moins une butée d’opérabilité de ladite turbomachine T,
- un module de détermination MOD_B1_DET, configuré pour déterminer une consigne corrigée de débit de carburant QCMD_CORREC si ladite au moins une butée d’opérabilité est atteinte, ladite consigne corrigée de débit de carburant QCMD_CORREC présentant un écart, dit «écart de débit» EC_DEB, par rapport à la consigne courante de débit de carburant.
Par «consigne courante», on fait référence ici à la consigne de débit de carburant QCMD en vigueur avant qu’une correction soit déterminée du fait de l’atteinte de ladite au moins une butée d’opérabilité.
Il est à noter que les moyens configurés de façon logicielle et/ou matérielle pour mettre en œuvre la première boucle B1 sont bien connus de l’homme du métier, et ne sont par conséquent pas décrits plus en détails ici. A titre d’exemple nullement limitatif, le document FR2977638A1 décrit ces aspects dans le cas d’une régulation du débit de carburant pour éviter un pompage, autrement dit quand la butée d’opérabilité considérée est une butée de type C/P.
La deuxième boucle B2, quant à elle, comporte:
- un premier module de détermination MOD_B2_DET1, configuré pour déterminer une grandeur de correction de couple ΔTRQ en fonction dudit écart de débit EC_DEB,
- un deuxième module de détermination MOD_B2_DET2, configuré pour déterminer ladite consigne de couple TRQCMD en fonction de ladite grandeur de correction de couple ΔTRQ.*
La manière dont la grandeur de correction de couple ΔTRQ est déterminée par le premier module de détermination MOD_B2_DET1 est détaillée ultérieurement au travers de plusieurs modes de mise en œuvre du procédé de contrôle selon l’invention.
Pour la suite de la description, et à des fins de simplification de cette dernière, on considère une unique butée d’opérabilité correspondant à la butée d’accélération de type C/P, bien connue de l’homme du métier.
Il convient cependant de noter que le choix d’une butée d’opérabilité correspondant à ladite butée d’accélération ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. D’autres choix sont possibles, comme par exemple: une butée de décélération de type C/P, une butée relative à un régime mécanique N1, une butée relative à un régime mécanique N2, une butée relative à une température de gaz d’échappement en entrée de la turbine basse pression 15 de la turbomachine (température dite «EGT», acronyme de «Exhaust Gas Temperature» dans la littérature anglo-saxonne), etc.
Par ailleurs, il est également à noter qu’aucune limitation n’est attachée au nombre de butées pouvant être considéré au sens de l’invention. Ainsi, l’invention s’applique aussi bien lorsqu’une seule butée d’opérabilité est considérée ou bien lorsque plusieurs butées d’opérabilité sont considérées, ces dernières pouvant en outre être, en tout ou partie, de types respectifs distincts. L’homme du métier sait mettre en œuvre l’invention lorsque plusieurs butées d’opérabilité sont considérées.
Lafigure 4représente schématiquement un exemple de fonctionnement des boucles B1 et B2.
Tel qu’illustré par la figure 4, le module de surveillance MOD_B1_SUR admet en entrée la consigne de carburant qui correspond à la consigne de débit de carburant courante QCMD si ladite butée d’accélération C/P n’est pas atteinte ou bien à la consigne de débit de carburant QCMD_CORREC si ladite butée d’accélération C/P est atteinte. Le module de surveillance MOD_B1_SUR admet également en entrée des mesures de pression appropriées afin d’être en mesure de déterminer si ladite butée d’accélération C/P est atteinte ou non, dont notamment la pression P en sortie du compresseur haute-pression 12.
De manière conventionnelle, le module de surveillance MOD_B1_SUR admet également en entrée un indicateur correspondant au régime N de rotation de l’arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par la machine électrique ME. Dans le présent mode de réalisation, cet indicateur correspond au régime NHP de rotation de l’arbre haute pression 22. Il est notamment connu que l’indicateur de régime admis par le module de surveillance MOD_B1_SUR est utilisé par ce dernier afin de déterminer s’il existe une intention de transitoire.
Le module de détermination MOD_B1_DET admet quant à lui en entrée un signal (non représenté sur les figures) en provenance du module de surveillance MOD_B1_SUR lorsque la butée d’accélération C/P est atteinte. Le module de détermination MOD_B1_DET admet également en entrée des mesures de pression et de température appropriées afin d’être en mesure de déterminer la consigne corrigée QCMD_CORREC.
Etant donné que la butée d’opérabilité ici considérée est la butée d’accélération C/P, les mesures de pression et de température admises en entrée par le module de détermination MOD_B1_DET comprennent une mesure de pression PS3 correspondant à la pression statique du compresseur haute-pression 12, une mesure de température T25 correspondant à la température totale en entrée du compresseur haute-pression 12 ainsi qu’une mesure de température Tstd correspondant la température standard au niveau de la mer (i.e. égale à 288.15 K (Kelvin) soit 15°C (Celsius)). Grâce à ces mesures, le module de détermination MOD_B1_DET détermine la consigne corrigée QCMD_CORREC de manière connue en soi, suivant l’expression suivante:
.
On note qu’en alternative à cet exemple de réalisation, les différentes mesures PS3, T25 et Tstd peuvent toutes être admises en entrée du module de surveillance MOD_B1_SUR puis être transmises au module de détermination MOD_B1_DET.
Par ailleurs, il est envisagé dans cet exemple de réalisation de déterminer la consigne corrigée QCMD_CORREC via le calcul de l’expression donnée ci-avant. Rien n’exclut cependant d’envisager une détermination de cette consigne corrigée QCMD_CORREC via la consultation d’une tabulation, c’est-à-dire d’un tableau comportant un ensemble de valeurs prises par une fonction dont la formulation analytique correspond à ladite expression donnée ci-avant.
De manière connue en soi, une commande de correction de débit de carburant peut ensuite être générée par le FADEC sur la base de ladite consigne corrigée QCMD_CORREC qui est redirigée vers l’entrée du module de surveillance MOD_B1_SUR afin de fermer la première boucle B1.
Par ailleurs, tel qu’illustré par la figure 4, le premier module de détermination MOD_B2_DET1 admet en entrée l’écart de débit EC_DEB déterminé par le module de détermination MOD_B1_DET (la détermination de l’écart de débit EC_DEB s’effectue classiquement par soustraction entre la consigne corrigée QCMD_CORREC et la consigne courante QCMD). Le premier module de détermination MOD_B2_DET1 admet également en entrée l’indicateur de régime fourni en entrée du module de surveillance MOD_B1_SUR, à savoir le régime NHP dans le présent mode de réalisation.
Dans des exemples plus particuliers de réalisation, le premier module de détermination MOD_B2_DET1 peut recevoir en entrée d’autres mesures et/ou indicateurs de sorte à être en mesure d’exécuter différents modes de mise en œuvre du procédé de contrôle selon l’invention, ces modes étant détaillés ultérieurement. En tout état de cause, l’homme du métier sait déterminer quelles mesures et/ou quels indicateurs le premier module de détermination MOD_B2_DET1 peut recevoir en entrée afin de permettre l’exécution desdits modes de mise en œuvre.
A partir des entrées qui lui sont fournies, le premier module de détermination MOD_B2_DET1 détermine la grandeur de correction de couple ΔTRQ qui est transmise au deuxième module de détermination MOD_B2_DET2. Dès lors, ledit deuxième module de détermination MOD_B2_DET2 détermine la consigne de couple TRQCMD de manière connue en soi en fonction de la grandeur de correction de couple ΔTRQ.
De manière connue en soi, une commande de couple peut ensuite être générée par le FADEC sur la base de ladite consigne de couple TRQCMD. Cette consigne de couple TRQCMD est ensuite redirigée afin de fermer la boucle B2. Par exemple, et tel qu’illustré par la figure 4, la consigne TRQCMD est redirigée vers l’entrée du premier module de détermination MOD_B2_DET1 qui peut ensuite lui-même la transmettre au deuxième module de détermination MOD_B2_DET2. En alternative, la consigne TRQCMD est redirigée vers l’entrée du deuxième module de détermination MOD_B2_DET2.
Lafigure 5représente, sous forme d’ordinogramme, les principales étapes du procédé de contrôle selon l’invention, telles qu’elles sont mises en œuvre par le système de contrôle SYS_C.
Tel qu’illustré par la figure 5, le procédé de contrôle tout d’abord uneétape F10de mise en œuvre de la première boucle B1.
Cette étape F10 comporte dans un premier temps unesous-étape F10_1de surveillance de la turbomachine T. Cette sous-étape F10_1 de surveillance est mise en œuvre par le module de surveillance MOD_B1_SUR de la première boucle B1.
Si la butée d’accélération C/P est atteinte, le procédé de contrôle, et plus particulièrement l’étape F10 de mise en œuvre de la boucle B1, comporte unesous-étape F10_2de détermination de la consigne corrigée QCMD_CORREC, dont l’écart avec la consigne de débit courante QCDM est représenté par ledit écart de débit EC_DEB. Cette sous-étape F10_2 de détermination est mise en œuvre par le module de détermination MOD_B1_DET de la première boucle B1.
Comme mentionné auparavant, en référence à la figure 4, ladite sous-étape F10_2 est exécutée suite à la transmission d’un signal du module de surveillance MOD_B1_SUR vers le module de détermination MOD_B1_DET, ce signal véhiculant, de manière connue en soi, une information représentative du fait que ladite butée d’accélération C/P soit atteinte.
Bien entendu, il y a lieu de noter que si la butée d’accélération C/P n’est pas atteinte, ladite sous-étape F10_2 n’est pas exécutée, de sorte que la consigne courante QCMD n’est pas modifiée.
Une fois la consigne corrigée QCMD_CORREC déterminée, le module de détermination MOD_B1_DET détermine également l’écart de débit EC_DEB (sous-étape F10_3) qui est transmis (sous-étape F10_4) vers le premier module de détermination MOD_B2_DET1 de la deuxième boucle B2.
Ledit procédé de contrôle comporte également uneétape F20de mise en œuvre de la deuxième boucle B2. Cette étape F20 fait suite à la mise en œuvre de l’étape F10 associée la première boucle B1. Autrement dit, il importe de noter que la mise en œuvre de la deuxième boucle B2 s’appuie sur la première boucle B1, comme cela ressort déjà clairement des éléments mentionnés en référence à la figure 4.
Cette étape F20 comporte dans un premier temps une sous-étape F20_1 de détermination de la grandeur de correction de couple ΔTRQ en fonction de l’écart de débit EC_DEB. Cette étape F20_1 est mise en œuvre par le premier module de détermination MOD_B2_DET1 de la deuxième boucle B2.
Le fait que la grandeur de correction de couple ΔTRQ soit déterminée en fonction de l’écart de débit EC_DEB est particulièrement avantageux car cela permet de tenir compte de la réalité physique de la turbomachine T, en particulier de son fonctionnement, et ceci indépendamment du régime (transitoire ou bien stabilisé). Par «réalité physique», on fait référence ici au fait que le fonctionnement de la machine électrique ME est relié à la variation effective de débit de carburant. Autrement dit, les aspects thermodynamiques intervenant dans la variation du débit de carburant sont pris en compte dans la détermination de la grandeur ΔTRQ.
Dans un mode particulier de mise en œuvre, la grandeur de correction de couple ΔTRQ est déterminée suivant l’expression suivante:

expression dans laquelle:
- FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant (exprimé en J.kg-1),
- C_1 est une valeur constante,
- η correspond au rendement thermique du générateur de gaz.
On comprend bien entendu que dans ce mode de mise en œuvre, le premier module de détermination MOD_B2_DET1 admet en entrée les mesures/indicateurs EC_DEB, FHV, η, C_1, NHP afin de calculer la grandeur ΔTRQ.
Une telle expression, établie par les inventeurs, est particulièrement remarquable en ce qu’elle permet de déterminer de manière simple, rapide et peu coûteuse, la grandeur ΔTRQ.
Pour obtenir cette expression, il y a tout d’abord lieu de considérer que la puissance totale PW_CORE disponible à la sortie du générateur de gaz peut être calculée suivant l’expression suivante:

expression dans laquelle:
- W correspond au débit d’air en entrée du corps haute pression (exprimé en kg.s-1),
- Δh_CORE_EXIT correspond à l’enthalpie disponible pour générer du travail à la sortie du générateur de gaz (exprimée en J.kg-1),
- V0correspond à vitesse de vol,
- PW_OFF_TAKE correspond à la puissance extraite sous forme de prélèvement d’air et/ou de prélèvement mécanique sur le corps haute pression.
Dès lors, la puissance générée par le générateur de gaz peut être reliée à la puissance chimique liée à l’exploitation du carburant suivant l’expression suivante:

expression dans laquelle Wff correspond au débit de carburant (exprimé en kg.s-1).
On peut alors relier la variation du débit de carburant ΔWff à la variation de puissance ΔP_ME de la machine électrique ME suivant l’expression suivante:

la valeur constante C_2 étant ici introduite afin de permettre un recalage des valeurs de ΔWff fournies par cette formule avec des valeurs obtenues suivant une autre méthode, par exemple grâce à des essais réalisés sur un banc d’essai ou bien encore grâce à des simulations numériques.
De cette dernière expression donnant ΔWff, il est possible d’en déduire l’expression de ΔTRQ étant donné que la variation de puissance ΔP_ME de la machine électrique ME est égale au produit de ΔTRQ par la vitesse de rotation de l’arbre haute pression 22, cette vitesse s’exprimant classiquement en fonction de NHP.
Il convient de noter que dans les expressions explicitées ci-avant, la variation du débit de carburant ΔWff correspond précisément à l’écart de débit EC_DEB.
Le rendement η du générateur de gaz peut être exprimé de différente manière. Par exemple, ledit rendement η s’exprime sous la forme suivante:

expression dans laquelle:
- M0correspond à la vitesse Mach,
- γ correspond, de manière connue en soi, à un rapport entre une capacité thermique isobare et une capacité thermique isochore,
- OPR correspond à un taux de pression globale du générateur de gaz.
Le choix selon lequel le rendement η s’exprime selon la formule donnée ci-dessus ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. D’autres variantes sont envisageables, en considérant par exemple que le paramètre OPR est remplacé par un ratio de température T3/T2 où T3 et T2 correspondent respectivement à la température de sortie du corps haute pression et à la température d’entrée du flux primaire.
Rien n’exclut non plus de considérer un rendement η constant, du fait notamment que les fluctuations dudit rendement η sont mineures hors ralenti. A cet effet, dans un autre mode particulier de mise en œuvre, la grandeur de correction de couple ΔTRQ est déterminée suivant l’expression suivante:

expression dans laquelleC’_1 est une valeur constante.
Ainsi, ladite constante C’_1 englobe non seulement la constante C_1 mentionnée auparavant mais également la valeur du rendement η ici considérée comme constante.
Le procédé de contrôle comporte alors unesous-étape F20_2de détermination de la consigne de couple TRQCMD en fonction de ladite grandeur de correction de couple ΔTRQ. cette sous-étape F20_2 de détermination est mise en œuvre par le deuxième module de détermination MOD_B2_DET2 de la deuxième boucle B2.
La détermination de ladite consigne de couple TRQCMD s’effectue de manière connue en soi. En particulier, il peut être tenu compte d’une consigne de couple auparavant observée avant la détermination de la grandeur de correction de couple ΔTRQ, de sorte que la consigne de couple TRQCMD nouvellement déterminée correspond à l’ancienne consigne de couple à laquelle est appliquée ladite grandeur de correction de couple ΔTRQ.

Claims (10)

  1. Procédé de contrôle d’une turbomachine (T) comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion (13), un arbre de rotation basse pression (21) ainsi qu’un arbre de rotation haute pression (22), la turbomachine comprenant au moins une machine électrique (ME) formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation, ledit procédé comportant une étape (F10) de mise en œuvre d’une boucle (B1) de régulation de carburant afin de déterminer une consigne de débit de carburant (QCMD) dans la chambre de combustion, et comportant:
    - une surveillance (F10_1) de la turbomachine destinée à détecter l’atteinte d’au moins une butée d’opérabilité de ladite turbomachine,
    - si ladite au moins une butée d’opérabilité est atteinte, une détermination (F10_2) d’une consigne corrigée de débit de carburant (QCMD_CORREC), ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart, dit «écart de débit» (EC_DEB), par rapport à la consigne courante de débit de carburant (QCMD),
    ledit procédé comportant également une étape (F20) de mise en œuvre d’une boucle (B2) de régulation de couple afin de déterminer une consigne de couple (TRQCMD) pour ladite au moins une machine électrique, et comportantune détermination (F20_1) d’une grandeur de correction de couple (ΔTRQ) en fonction dudit écart de débit, ladite consigne de couple étant déterminée (F20_2) en fonction de ladite grandeur de correction de couple.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la grandeur de correction de couple (ΔTRQ) est déterminée égale à:

    expression dans laquelle:
    - EC_DEB correspond à l’écart de débit,
    - FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant,
    - N correspond au régime de rotation de l’arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par ladite au moins une machine électrique (ME),
    - C_1 est une valeur constante,
    - η correspond au rendement du générateur de gaz.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le rendement η du générateur de gaz s’exprime sous la forme suivante:

    expression dans laquelle:
    - M correspond à la vitesse Mach,
    - γ correspond à un rapport entre une capacité thermique isobare et une capacité thermique isochore,
    - OPR correspond à un taux de pression globale du générateur de gaz.
  4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la grandeur de correction de coupl (ΔTRQ) est déterminée suivant l’expression suivante:

    expression dans laquelle:
    - EC_DEB correspond à l’écart de débit,
    - FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant,
    - N correspond au régime de rotation de l’arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par ladite au moins une machine électrique (ME),
    - C’_1 est une valeur constante.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite au moins une butée d’opérabilité correspond à l’un quelconque des paramètres suivants:
    - une butée C/P,
    - une butée relative à un régime mécanique N1,
    - une butée relative à un régime mécanique N2,
    - une butée relative à une température de gaz d’échappement en entrée d’une turbine basse pression (15) de la turbomachine.
  6. Programme d’ordinateur comportant des instructions pour la mise en œuvre d’un procédé de contrôle selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 lorsque ledit programme d’ordinateur est exécuté par un ordinateur.
  7. Support d’enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur selon la revendication 6.
  8. Système de contrôle (SYS_C) d’une turbomachine (T) comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion (13), un arbre de rotation basse pression (21) ainsi qu’un arbre de rotation haute pression (22), la turbomachine comprenant au moins une machine électrique (ME) formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation, ledit système de contrôle comportant une boucle (B1) de régulation de carburant pour déterminer une consigne de débit de carburant (QCMD) dans la chambre de combustion, ladite boucle de régulation de carburant comportant:
    - un module de surveillance (MOD_B1_SUR) de la turbomachine, configuré pour détecter l’atteinte d’au moins une butée d’opérabilité de ladite turbomachine,
    - un module de détermination (MOD_B1_DET), configuré pour déterminer une consigne corrigée de débit de carburant (QCMD_CORREC) si ladite au moins une butée d’opérabilité est atteinte, ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart, dit «écart de débit» (EC_DEB), par rapport à la consigne courante de débit de carburant (QCMD),
    ledit système de contrôle comportant également une boucle (B2) de régulation de couple pour déterminer une consigne de couple (TRQCMD) pour ladite au moins une machine électrique, ladite boucle de régulation de couple comportant:
    - un premier module de détermination (MOD_B2_DET1), configuré pour déterminer une grandeur de correction de couple (ΔTRQ) en fonction dudit écart de débit,
    - un deuxième module de détermination (MOD_B2_DET2), configuré pour déterminer ladite consigne de couple en fonction de ladite grandeur de correction de couple.
  9. Turbomachine (T) comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion (13), un arbre de rotation basse pression (21) ainsi qu’un arbre de rotation haute pression (22), la turbomachine comprenant au moins une machine électrique (ME) formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur au moins un desdits arbres de rotation ainsi qu’un système de contrôle (SYS_C ) selon la revendication 8.
  10. Aéronef comportant une turbomachine (T) selon la revendication 9.
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