FR3116865A1 - Procédé de commande d’une turbomachine comportant un moteur électrique - Google Patents

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Abstract

Un procédé de commande d’une turbomachine comprenant un moteur électrique formant un dispositif d'injection de couple sur l’arbre de rotation haute pression, procédé dans lequel une consigne de débit de carburant dans la chambre de combustion et une consigne de couple (TRQCMD) fourni au moteur électrique sont déterminées, le procédé de commande comportant : une étape de détermination d’une grandeur de correction de température (ΔEGT) en fonction d’un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGT) et d’une valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGTMAx), une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple (ΔTRQ) en fonction de la grandeur de correction de température (ΔEGT) et une étape de détermination de la consigne de couple (TRQCMD) en fonction de la grandeur de correction de couple (ΔTRQ). Figure de l’abrégé : Figure 4

Description

Procédé de commande d’une turbomachine comportant un moteur électrique
La présente invention concerne une turbomachine pour aéronef, en particulier, la commande d’une turbomachine afin de fournir la poussée désirée en fonction de la position de la manette de commande du pilote de l’aéronef.
En référence à la , il est représenté de manière schématique 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 WFCMD, 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. De manière connue, pour modifier le régime de la turbomachine 100, le pilote de l’aéronef modifie la position d’une manette de commande qui permet de modifier la consigne de débit de carburant WFCMD dans la chambre de combustion 113.
La conception d’une turbomachine 100 nécessite de prendre en compte une marge suffisante contre le phénomène dit de pompage. Ce phénomène qui résulte d'une incidence excessive du flux d'air sur les aubes d'un des compresseurs aboutit à des fluctuations importantes et rapides de la pression en aval du compresseur concerné et peut conduire à une extinction de la chambre de combustion 113. Il génère en outre des à-coups importants sur les aubes du compresseur et peut ainsi conduire à des dégradations mécaniques. Il convient donc tout particulièrement d'éviter son apparition. Le fonctionnement d'un compresseur en utilisation est généralement représenté par un diagramme qui exprime le rapport de pression obtenu entre la sortie et l'entrée, en fonction du débit d'air qui le traverse ; ce diagramme est en outre paramétré en fonction de la vitesse de rotation du compresseur. Dans ce diagramme figure une ligne de pompage qui constitue la limite maximale en taux de compression à ne pas dépasser, pour ne pas risquer l'apparition d’un phénomène de pompage. De manière connue, on définit une ligne, dite de fonctionnement, associant les taux de compression obtenus en fonction du débit, lorsque la turbomachine 100 est en fonctionnement stabilisé. Le positionnement de cette ligne de fonctionnement est laissé à l'appréciation du concepteur de la turbomachine 100 et la distance de cette ligne de fonctionnement à la ligne de pompage représente la marge au pompage. II convient de remarquer que le rendement du compresseur (travail de compression fourni à l'air, rapporté au travail fourni pour l'entraîner en rotation) est, en première approximation, meilleur au fur et à mesure que l'on se rapproche de la ligne de pompage. A contrario, les accélérations demandées par le pilote à partir d'un fonctionnement stabilisé (phase transitoire) pour obtenir une augmentation de la poussée, se traduisent au niveau du compresseur par une excursion du point de fonctionnement qui s'effectue en direction de la ligne de pompage.
En effet, une injection supplémentaire de carburant dans la chambre de combustion 113 provoque une élévation quasi instantanée du taux de compression, alors même que le régime de rotation n'a pas le temps d'augmenter du fait de l'inertie. La variation d'enthalpie apportée au fluide par la combustion du carburant ajouté génère alors une augmentation du travail fourni par chaque turbine et, par conséquent une augmentation de la vitesse de rotation du corps correspondant. Ceci se traduit au niveau du diagramme du compresseur par un retour du point de fonctionnement sur la ligne de fonctionnement lorsque le régime se stabilise à nouveau, à un point de fonctionnement qui correspond à un débit plus élevé que celui du point de fonctionnement précédent.
Le concepteur d'une turbomachine 100 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 suffisante vis à vis de la ligne de pompage pour permettre des accélérations sûres.
Afin d’éviter tout phénomène de pompage, une turbomachine 100 comporte un système de régulation mis en œuvre par une unité électronique. En référence à la , le système de régulation comprend un module de gestion stabilisée 31, un module de détection d'intention de transitoire 32, un module de génération d'une trajectoire de régime 33, un module de sélection 34, un module d'intégration 35 ainsi qu’un module de gestion de butée 36.
Le module de gestion stabilisée 31 fournit une grandeur de correction au module de sélection 34 en fonction de la différence entre le régime NL de la turbomachine 100 et le régime de consigne NLCONS. Le régime NL peut correspondre à différents types de régime, notamment, un régime de soufflante, une consigne de pression connue sous son acronyme anglais EPR (Engine Pressure Ratio), une consigne haute pression ou autre.
Le régime de consigne NLCONSest proportionnel à la position de la manette de commande manipulable par le pilote de l’aéronef. Un tel module de gestion stabilisée 31 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails.
Le module de détection d'intention de transitoire 32 a pour but de détecter une intention de transitoire souhaitée par le pilote. Le module de détection d'intention de transitoire 32 détermine une différence entre le régime NL de la turbomachine 100 et le régime de consigne NLCONS. Lorsque la manette de commande reste dans une position constante et que le module de gestion stabilisée 31 est mise en œuvre, le régime réel NL de la turbomachine 100 est stationnaire et égal au régime de consigne NLCONS. Si le pilote déplace la manette de commande, le régime de consigne NLCONSvarie instantanément. Au contraire, le régime NL ne varie pas instantanément en raison de l'inertie de la turbomachine 100 et du module de gestion stabilisée 31. Ainsi, le module de détection d'intention de transitoire 32 détecte une intention de transitoire lorsque la différence entre le régime de consigne NLCONSet le régime réel NL est supérieure à un seuil prédéterminé S2.
Dans le cas d'une demande accélération, si l’écart de régime est supérieur au seuil prédéterminé S2 (NLCONS- NL > S2), une demande d’accélération est détectée. De manière analogue, dans le cas d'une décélération, si l’écart de régime est supérieur au seuil prédéterminé S2 (NL - NLCONS> S2), une demande de décélération est détectée. Lorsque qu’une phase transitoire est détectée, le module de détection d'intention de transitoire 32 génère un signal d'activation, qui est transmis au module de génération d'une trajectoire de régime 33 et au module de sélection 34 comme illustré à la .
Dans le cas d'une demande accélération, le module de génération d'une trajectoire de régime 33 détermine une consigne de régime pour l’accélération (trajectoire d’accélération). De manière analogue, dans le cas d'une décélération, le module de génération d'une trajectoire de régime 33 détermine une consigne de régime pour la décélération (trajectoire de décélération). En fonction de la trajectoire générée, le module de génération d'une trajectoire de régime 33 fournit une grandeur de correction au module de sélection 34.
Un tel module de génération d'une trajectoire de régime 33 est connu de l’homme du métier, en particulier par la demande de brevet US2013/0008171 et la demande de brevet FR2977638A1, et ne sera pas présenté plus en détails.
Dans cet exemple, lorsque le module de sélection 34 reçoit un signal d'activation du module de détection d'intention de transitoire 32, le module de sélection 34 sélectionne la grandeur de correction issue du module de gestion stabilisée 31 en l’absence de réception d’un signal d’activation et sélectionne la grandeur de correction issue du module de génération d'une trajectoire de régime 33 en cas de réception d’un signal d’activation. Un tel module de sélection 34 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails. La grandeur de correction sélectionnée est fournie au module d'intégration 35. Le module d'intégration 35 détermine la consigne de débit de carburant WFCMDpar intégration de la grandeur de correction sélectionnée.
Le module de gestion de butée 36 limite la valeur de la consigne de débit de carburant WFCMDdéterminée par le module d'intégration 35. De manière connue, le module de gestion de butée 36 met en œuvre une butée, dite butée C/P connue de l'homme du métier afin de protéger la turbomachine à l’encontre du pompage. Dans cet exemple le module de gestion de butée 36 permet de définir des consignes de butée en accélération et en décélération. De telles butées sont connues de l’homme du métier et ne seront pas présentées plus en détails.
Le module de génération d'une trajectoire de régime 33 et le module de gestion de butée 36 permettent de définir une trajectoire d’accélération qui a pour conséquence de brider la consigne de débit de carburant WFCMDafin d’éviter un pompage. Un tel système de régulation est connu par la demande de brevet FR2977638A1 et ne sera pas présenté plus en détails. De manière incidente, il est connu de protéger un moteur contre le phénomène de pompage lors des transitoires en prenant en compte une consigne d’accélération lors de la régulation (voir par exemple US4543782 et US 2003/0094000).
Un tel système de régulation est performant mais ne permet pas de contrôler la température des gaz en sortie de la turbomachine, dite température EGT pour « Exhaust Gas Temperature », afin qu’elle ne dépasse pas une température limite EGTmax.
Afin d’éliminer cet inconvénient, une solution immédiate serait de prévoir un procédé de régulation indépendant et dédié à la température des gaz en sortie de la turbomachine mais cela présente de nombreux inconvénients en termes de performance (latence, erreur, etc.).
PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un procédé de commande d’une turbomachine comprenant une soufflante positionnée en amont d'un générateur de gaz et délimitant un flux primaire et un flux secondaire, ledit générateur de gaz étant traversé par le flux primaire et comprenant un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression, ladite turbine basse pression étant reliée audit compresseur basse pression par un arbre de rotation basse pression et ladite turbine haute pression étant reliée audit compresseur haute pression par un arbre de rotation haute pression, la turbomachine comprenant un moteur électrique formant un dispositif d'injection de couple sur l’arbre de rotation haute pression, procédé dans lequel une consigne de débit de carburant dans la chambre de combustion et une consigne de couple fourni au moteur électrique sont déterminées, le procédé de commande comportant :
  • une étape de détermination d’une grandeur de correction de température en fonction d’un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine et d’une valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine,
  • une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple en fonction de la grandeur de correction de température et
  • une étape de détermination de la consigne de couple en fonction de la grandeur de correction de couple.
Grâce à l’injection de couple du moteur électrique permet de conserver des performances optimales tout en réduisant de manière importante la température des gaz en sortie. Le moteur électrique permet ainsi d’éviter de dégrader les performances de poussée pour conserver une marge de température suffisante.
De préférence, le procédé de commande comporte :
  • une étape de mise en œuvre d’une première boucle de régulation de carburant afin de déterminer la consigne de débit de carburant comprenant :
    • une étape de détection d’une intention de transitoire de régime en fonction d’une différence entre un régime courant et une consigne de régime déterminée,
    • une étape de détermination d’une consigne de régime de transitoire,
    • une étape de détermination d’une grandeur de correction de carburant en fonction de la consigne de régime de transitoire et
    • une étape de détermination de la consigne de débit de carburant en fonction de la grandeur de correction de carburant,
  • une étape de mise en œuvre d’une deuxième boucle de régulation de couple afin de déterminer la consigne de couple comprenant
    • une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple en fonction de la consigne de régime de transitoire et de la grandeur de correction de température.
Grâce à l’invention, la température des gaz de sortie est régulée tout en conservant des marges pour éviter un pompage ou une extinction de la turbomachine. L’étape de détection d’une intention de transitoire de régime correspond à une intention de transitoire de poussée. Ainsi, le régime courant de la turbomachine peut suivre de manière réactive la consigne de trajectoire. L’opérabilité de la turbomachine est ainsi améliorée. De manière avantageuse, l’étape de détermination d’une grandeur de correction de température permet d’utiliser le moteur électrique pour limiter la température des gaz en sortie de la turbomachine. La régulation de la température est ainsi directement intégrée à l’étape de détermination d’une grandeur de correction de couple.
De manière préférée, au cours de l’étape de détermination d’une grandeur de correction de couple, en cas d’accélération, on sélectionne la valeur maximale entre la grandeur de correction de température et une grandeur de correction d’accélération déterminée à partir de la consigne de régime de transitoire d’accélération. Autrement dit, lors d’une augmentation de l’accélération conduisant à une augmentation de la température, on sélectionne la grandeur de correction maximale afin d’obtenir l’accélération souhaitée tout en limitant la température des gaz en sortie. Ainsi, la régulation de la température est totalement intégrée à la régulation globale, ce qui garantit des performances optimales.
Dans cet exemple, on sélectionne la grandeur de correction maximale dans le cas d’une convention de signe positive pour une commande de couple motrice et une commande négative pour une commande de couple de freinage. A l’inverse, on sélectionne la grandeur de correction minimale dans le cas d’une convention de signe négative pour une commande de couple motrice et une commande positive pour une commande de couple de freinage.
De manière avantageuse, la deuxième boucle de régulation de couple ne se substitue pas à la première boucle de régulation de carburant mais vient à son soutien lorsque des limites de fonctionnement sont atteintes. La régulation du régime n’est ainsi pas bouleversée dans ses fondamentaux, ce qui assure une régulation fiable.
L’invention concerne également un procédé de commande tel que présenté précédemment, comprenant :
  • une étape d’activation d’une commande de protection de température par comparaison du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine à la valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine diminuée d’un seuil de réglage prédéterminé
  • une étape d’activation de la grandeur de correction de température lorsque la commande de protection de température est activée.
De préférence, le procédé comprend au cours de l’étape de mise en œuvre de la deuxième boucle de régulation de couple, une étape de mise à zéro de la consigne de couple, l’étape de mise à zéro de la consigne de couple étant inhibée en cas d’activation de la commande de protection de température.
De manière avantageuse, le procédé de commande comporte une étape de mise à zéro de la consigne de couple qui est mise en œuvre de manière continue mais inhibée lorsque les limites de régulation de la consigne de carburant sont atteintes. Autrement dit, le couple électrique n’est pas utilisé en permanence afin d’éviter une consommation électrique excessive. Le couple électrique est injecté sur l’arbre haute pression lorsque les limites de régulation de la consigne de carburant sont atteintes (pompage, extinction, température EGT, etc.) afin de permettre de les écarter. En d’autres termes, lors de son injection, le couple électrique permet d’offrir une marge de régulation à la première boucle de régulation de carburant. Une fois cette marge obtenue, la consigne de couple peut être mise à zéro, en particulier, de manière progressive.
De préférence, la consigne de couple est mise à zéro de manière progressive, de préférence, selon au moins un gradient de réduction. Une mise à zéro progressive s’oppose à une mise à zéro brutale qui induirait des perturbations du régime de la turbomachine. Une mise à zéro progressive selon un gradient de réduction permet de contrôler la vitesse à laquelle la deuxième boucle de régulation de couple diminue son influence afin de permettre à la première boucle de régulation de carburant de reprendre son influence.
De manière préférée, le procédé comprend une étape de simple intégration de la grandeur de correction de couple afin de déterminer la consigne de couple.
L’invention concerne également un programme d’ordinateur comprenant des instructions pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande tel que présenté précédemment lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur. L’invention vise aussi un support d’enregistrement dudit programme d’ordinateur. Le support d'enregistrement mentionné ci-avant peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple un disque dur. D'autre part, les supports d'enregistrement peuvent correspondre à un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. Alternativement, les supports d'enregistrement peuvent correspondre à un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.
L’invention concerne également en outre une unité électronique de commande pour turbomachine comprenant une mémoire incluant des instructions d’un programme d’ordinateur tel que présenté précédemment.
L’invention concerne également aussi une turbomachine comprenant une unité électronique telle que présentée précédemment.
PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La est une représentation schématique d’une turbomachine selon l’art antérieur,
la est une représentation schématique d’un système de régulation d’une consigne de débit de carburant selon l’art antérieur,
la est une représentation schématique d’une turbomachine selon une forme de réalisation de l’invention,
la est une représentation schématique d’un système de régulation de la température de sortie selon l’invention,
la est une représentation schématique d’un système de régulation d’une consigne de débit de carburant et d’une consigne de couple selon l’invention,
la est une représentation schématique d’une première boucle de régulation de carburant du système de régulation de la ,
la est une représentation schématique d’une deuxième boucle de régulation de couple du système de régulation de la .
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.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence à la , il est représenté de manière schématique une turbomachine T du type turboréacteur à double flux et double corps pour aéronef. De manière connue, 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 WFCMD, 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 13, 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 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 16. De manière connue, pour modifier le régime du turbomachine T, le pilote de l’aéronef modifie la position d’une manette de commande qui permet de modifier la consigne de débit de carburant WFCMD dans la chambre de combustion 13.
En référence à la , la turbomachine T comporte en outre un moteur électrique ME configuré pour fournir un couple supplémentaire à l’arbre haute pression 22 Le fonctionnement de la turbomachine T est commandé par une unité électronique 20 qui obtient des signaux représentant des paramètres de fonctionnement de la turbomachine T, notamment le régime NL de la turbomachine T, pour fournir la consigne de débit de carburant WFCMD et une consigne de couple TRQCMD au moteur électrique ME. Le régime NL peut correspondre à différents types de régime, notamment, un régime de soufflante, une consigne de pression connue sous son acronyme anglais EPR (Engine Pressure Ratio), une consigne haute pression ou autre.
Comme illustré à la , le procédé comporte une étape de détermination d’une grandeur de correction de température ΔEGT en fonction d’un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine EGT issu de la turbomachine T et d’une valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine EGTMax. Le procédé comporte une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple ΔTRQ en fonction de la grandeur de correction de température ΔEGT et une étape de détermination de la consigne de couple TRQCMD en fonction de la grandeur de correction de couple ΔTRQ.
Le couple électrique permet de réduire de manière avantageuse la température de sortie EGT sans réduire les performances générales de couple, ce qui est avantageux.
Comme illustré à la , l’unité électronique 20 comporte un système de régulation comportant une première boucle B1 de régulation de la consigne de débit de carburant WFCMD, désignée par la suite « première boucle de carburant B1 », et une deuxième boucle B2 de régulation de la consigne de couple électrique TRQCMD, désignée par la suite « deuxième boucle de couple B2 ».
Comme illustré à la , la première boucle de carburant B1 comporte :
  • Une entrée de température T2
  • une entrée de régime NL de la turbomachine T
  • une entrée de régime de consigne NLCONSdéfinie par la position de la manette de commande manipulable par le pilote de l’aéronef,
  • une sortie de consigne de débit de carburant WFCMD transmise à la turbomachine T et
  • une pluralité d’indicateurs de sortie :
    • un indicateur d’une demande de transitoire d’accélération TopAccel
    • un indicateur d’une demande de transitoire de décélération TopDecel
    • un indicateur d’une butée d’accélération TopButeeAccel définie par la saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’accélération
    • un indicateur d’une butée de décélération TopButeeDecel définie par la saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’extinction
    • une consigne de trajectoire de régime pour l’accélération NLTrajAccCons
    • une consigne de trajectoire de régime pour la décélération NLTrajDecelCons
Toujours en référence à la , la deuxième boucle de couple B2 reçoit en entrée tous les indicateurs de sortie générés par la première boucle de carburant B1, c’est-à-dire TopAccel, TopDecel, TopButeeAccel, TopButeeDecel, NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons, ainsi que l’entrée de régime NL de la turbomachine T.
Selon cet exemple de mise en œuvre de l’invention, la régulation de la température de sortie est intégrée directement à la deuxième boucle de couple B2, ce qui permet de prendre en compte toutes les régulations de manière simultanée.
La deuxième boucle de couple B2 reçoit également en entrée un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine EGT (ci-après paramètre de température EGT) ainsi qu’une valeur maximale de température des gaz en sortie de la turbomachine EGTMax. Le paramètre EGT est obtenu par un capteur de la turbomachine T. De manière avantageuse, grâce à ce système de régulation, la deuxième boucle de couple B2 permet de fournir une consigne de couple TRQCMDadaptive en fonction du comportement de la boucle de carburant B1 mais également du paramètre de température EGT. Autrement dit, le paramètre de température EGT est intégré directement dans la deuxième boucle de couple B2.
Dans cet exemple, la première boucle de carburant B1 comporte également une entrée de pression statique dans la chambre de combustion PS3.
La structure et le fonctionnement de chaque boucle B1, B2 vont être dorénavant présentés de manière détaillée.
De manière connue, en référence à la , la première boucle de carburant B1 comprend un module de gestion stabilisée 301, un module de détection d'intention de transitoire 302, un module de génération d'une trajectoire de régime 303, un module de sélection 304, un module d'intégration 305 ainsi qu’un module de gestion de butée 306 qui remplit une fonction de saturation de l’intégration et donc de la commande de carburant WFCMD. Une telle première boucle de carburant B1 est connue par FR3087491A1.
Comme cela sera présenté par la suite, le module de génération d'une trajectoire de régime 303 est également configuré pour générer une commande pour le contrôle de cette trajectoire.
Le module de gestion stabilisée 301 fournit une grandeur de correction au module de sélection 304 en fonction de la différence entre le régime NL de la turbomachine T et le régime de consigne NLCONS. Un tel module de gestion stabilisée 301 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails.
Le module de détection d'intention de transitoire 302 a pour but de détecter une intention de transitoire souhaitée par le pilote. Le module de détection d'intention de transitoire 302 détermine une différence entre le régime NL de la turbomachine T et le régime de consigne NLCONS. Lorsque la manette de commande reste dans une position constante et que le module de gestion stabilisée 301 est mise en œuvre, le régime réel NL de la turbomachine T est stationnaire et égal au régime de consigne NLCONS. Si le pilote déplace la manette de commande, le régime de consigne NLCONSvarie instantanément. Au contraire, le régime NL ne varie pas instantanément en raison de l'inertie de la turbomachine T et du module de gestion stabilisée 301. Ainsi, le module de détection d'intention de transitoire 302 détecte une intention de transitoire lorsque la différence entre le régime de consigne NLCONSet le régime réel NL est supérieure à un seuil prédéterminé S3.
Selon l’invention, le module de détection d'intention de transitoire 302 fournit également un indicateur de demande de transitoire d’accélération TopAccel et un indicateur d’une demande de transitoire de décélération TopDecel. Dans le cas d'une accélération, si l’écart de régime est supérieur au seuil prédéterminé S3 (NLCONS- NL > S3), l’indicateur de demande de transitoire d’accélération TopAccel est activé. Cette fonction est mise en œuvre dans un sous-module d’accélération 302a qui est un comparateur. De manière analogue, dans le cas d'une décélération, si l’écart de régime est supérieur au seuil prédéterminé S3 (NL - NLCONS > S3), l’indicateur d’une demande de transitoire de décélération TopDecel est activé. Cette fonction est mise en œuvre dans un sous-module de décélération 302d qui est un comparateur. A titre d’exemple, le seuil S3 est de 200 tours/minutes.
Lorsque qu’une phase transitoire est détectée, le module de détection d'intention de transitoire 302 génère un signal d'activation, qui est transmis au module de génération d'une trajectoire de régime 303 et au module de sélection 304 comme illustré à la .
Dans le cas d'une accélération, le module de génération d'une trajectoire de régime 303 détermine une consigne de régime pour l’accélération (trajectoire d’accélération) NLTrajAccCons. De manière analogue, dans le cas d'une décélération, le module de génération d'une trajectoire de régime 303 détermine une consigne de régime NL pour la décélération (trajectoire de décélération) NLTrajDecelCons. Un tel module de génération d'une trajectoire de régime 303 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails, en particulier, par la demande de brevet US2013/0008171. De plus, le module de génération 303 est également configuré pour générer une grandeur de correction qui permet de suivre le cas échéant la trajectoire consigne.
Dans cet exemple, lorsque le module de sélection 304 reçoit un signal d'activation du module de détection d'intention de transitoire 302, le module de sélection 304 sélectionne la grandeur de correction issue du module de gestion stabilisée 301 en l’absence de réception d’un signal d’activation et sélectionne la grandeur de correction issue du module de génération d'une trajectoire de régime 303 en cas de réception d’un signal d’activation. Un tel module de sélection 304 est connu de l’homme du métier et ne sera pas présenté plus en détails.
La grandeur de correction de carburant sélectionnée ΔWF est fournie au module d'intégration 305. Le module d'intégration 305 détermine la consigne de débit de carburant WFCMDpar intégration de la grandeur de correction de carburant ΔWF.
Le module de gestion de butée 306 limite la valeur de la consigne de débit de carburant WFCMD déterminée par le module d'intégration 305. De manière connue, le module de gestion de butée 306 met en œuvre une butée, dite butée C/P connue de l'homme du métier. Dans cet exemple le module de gestion de butée 306 permet de définir des consignes de butée en accélération et en décélération. A cet effet, dans le cas d'une accélération, le module de gestion de butée 306 permet de définir un indicateur d’une saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’accélération TopButeeAccel. De manière analogue, dans le cas d'une décélération, le module de gestion de butée 306 permet de définir un indicateur d’une saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’extinction TopButeeDecel. De telles butées sont connues de l’homme du métier et ne seront pas présentées plus en détails. De manière préférée, le module de gestion de butée 306 détermine les butées en fonction de la pression statique dans la chambre de combustion PS3 et du régime NL (régime corps haute pression).
Comme indiqué précédemment, une telle régulation est optimale pour limiter la consigne de carburant WFCMDtransmise à la turbomachine T mais induit des temps de réponse important.
Pour éliminer cet inconvénient, une deuxième boucle de couple B2 est couplée à la première boucle de carburant B1 pour déterminer une consigne de couple TRQCMDoptimale. A cet effet, contrairement à l’art antérieur, la première boucle de carburant B1 communique à la deuxième boucle de couple B2 les différents indicateurs de sortie : TopAccel, TopDecel, NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons, TopButeeAccel, TopButeeDecel.
La deuxième boucle de régulation du couple B2 vise à utiliser avec parcimonie le moteur électrique ME tout en maitrisant le paramètre de température EGT. Ainsi, une consigne de couple TRQCMDn’est activée que lorsque les trajectoires sont limitées (TopButeeAccel ou TopButeeDecel), que l’écart entre la consigne de régime NLCONSet le régime réel NL indique un besoin d’activation des contrôles en transitoire (TopAccel ou TopDecel) ou que le paramètre de température EGT est proche de sa valeur maximale EGTMax. De manière avantageuse, comme cela sera présenté par la suite, le paramètre de température EGT évolue vers sa valeur maximale EGTMax lors d’une accélération. La deuxième boucle de régulation du couple B2 s’appuie sur la commande de couple pour l’accélération (couple accélération) TRQTrajAccelCmd pour réguler le paramètre de température EGT.
Comme cela sera présenté par la suite, le couple électrique fourni TRQCMDpermet d’écarter le point de fonctionnement des limites de fonctionnement et ainsi d’offrir une marge de commande pour adapter de nouveau la consigne de carburant WFCMD. Le couple électrique fourni TRQCMDpermet par ailleurs d’écarter le paramètre de température EGT de sa valeur maximale EGTMax. En effet, le couple électrique permet de moins solliciter la turbomachine T, ce qui conduit à faire baisser sa température.
Grâce à l’invention, la première boucle de carburant B1 et la deuxième boucle de couple B2 échangent pour améliorer l’opérabilité de la turbomachine T (contrôle de la température, temps de réponse, etc.) tout en limitant la consommation d’énergie électrique par le moteur électrique ME.
En référence à la , la deuxième boucle de régulation du couple B2 comporte un module de détermination de commande 401, un module de mise à zéro 402, un module d’intégration 403, un commutateur 404 et un module de traitement 405.
Le module de détermination de commande 401 comporte :
  • une entrée de régime courant NL de la turbomachine
  • la consigne de régime NL pour l’accélération (trajectoire d’accélération) NLTrajAccCons fournissant une grandeur de consigne pour la commande de couple
  • la consigne de régime NL pour la décélération (trajectoire de décélération) NLTrajDecelCons fournissant une grandeur de consigne pour la commande de couple
  • une entrée de paramètre de température EGT
  • une valeur maximale de température EGTMax.
Le module de détermination de commande 401 comporte un sous-module de d’accélération 401a et un sous-module décélération 401d qui sont respectivement configurés pour calculer une commande de couple pour l’accélération (couple accélération) TRQTrajAccCmd et une commande de couple pour la décélération (couple décélération) TRQTrajDecCmd.
Dans cet exemple, le sous-module d’accélération 401a calcule une grandeur de correction pour l’accélération (couple d’accélération) TRQTrajAccelCmd en fonction de la consigne de régime NL pour l’accélération (trajectoire de d’accélération) NLTrajAccCons, et de l’entrée de régime courant NL. La structure d’un tel sous-module d’accélération 401a est connue de l’homme du métier. De manière préférée, le sous-module d’accélération 401a se présente sous la forme d’un correcteur de type avance de phase pure, en particulier, un passe haut d’ordre 1. La structure et la fonction du sous-module de décélération 401d sont analogues.
Le module de détermination de commande 401 comporte en outre un sous-module de température 401t qui calcule une grandeur de correction de température ΔEGT en fonction du paramètre de température EGT et de sa température maximale EGTMax. De manière préférée, le sous-module de température 401t se présente sous la forme d’un correcteur de type avance de phase pure, en particulier, un passe haut d’ordre 1.
En référence à la , le module de traitement 405 comporte en outre un comparateur configurer pour comparer le paramètre de température EGT à la valeur maximale de température EGTMax diminuée d’un seuil de réglage prédéterminé ∆Seuil. Lorsque le paramètre de température EGT est trop proche de la valeur maximale de température EGTMax, une commande de protection de température ActiveProtEGT est activée. La commande de protection de température ActiveProtEGT permet d’activer la grandeur de correction de température ΔEGT.
Le seuil de réglage prédéterminé ∆Seuil est déterminé au cours d’essais en fonction du temps de réponse de la régulation et du dépassement qu’on s’autorise à avoir sur le paramètre de température EGT. Plus on autorise un dépassement temporaire important et/ou que le temps de réponse de la boucle est rapide, plus on fixe un seuil de réglage ΔSeuil faible.
Le module de traitement 405 comporte de plus un commutateur max qui permet de sélectionner la valeur maximale entre la grandeur de correction de température ΔEGT et la grandeur de correction d’accélération TRQTrajAccCmd afin de satisfaire la contrainte la plus forte pour l’apport de couple. Autrement dit, lors d’une demande d’accélération, le moteur électrique ME permet également de réguler le paramètre de température EGT en évitant de solliciter la turbomachine T.
En référence à la , la sélection de la commande avant intégration par le module d’intégration 403 est assurée par un commutateur 404 afin de sélectionner la commande de décélération en décélération ou la commande d’accélération en accélération.
Le module de mise à zéro 402 comporte une pluralité d’indicateurs d’entrée issus de la première boucle de carburant B1 :
  • l’indicateur d’une demande de transitoire d’accélération TopAccel
  • l’indicateur d’une demande de transitoire de décélération TopDecel
  • l’indicateur d’une butée d’accélération TopButeeAccel définie par la saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’accélération
  • l’indicateur d’une butée de décélération TopButeeDecel définie par la saturation de la commande des correcteurs par la butée C/P d’extinction.
Le module de mise à zéro 402 vise à mettre à zéro la commande de couple TRQCMD via la remise à zéro de l’intégrateur 403. Comme cela sera présenté par la suite, la mise à zéro n’est pas brutale mais progressive. Le module de mise à zéro est mise en œuvre de manière continue. Néanmoins, la mise à zéro est inhibée :
  • lorsqu’une accélération est demandée et lorsque la butée d’accélération est déjà atteinte (TopAccel et TopButeeAccel activés) (état ActiveCmdTrqAccel)
  • lorsqu’une décélération est demandée et lorsque la butée de décélération est déjà atteinte (TopDecel et TopButeeDecel activés) (état ActiveCmdTrqDecel) ou
  • lorsqu’une commande de protection de température ActiveProtEGT est activée.
Quand la consigne de carburant WFCMDde la première boucle de carburant B1 souhaite s’écarter de la plage de fonctionnement autorisée, le module de mise à zéro 402 n’est pas remis à zéro. Ainsi, la consigne de couple TRQCMDpermet d’écarter le point de fonctionnement des limites de fonctionnement. Une mise à zéro de la commande de couple TRQCMDn’est amorcée que lorsqu’une régulation par la consigne de carburant WFCMDest possible.
En d’autres termes, la deuxième boucle de couple B2 agit de manière synergique avec la première boucle de carburant B1. La deuxième boucle de couple B2 vient en support de la première boucle de carburant B1. En régime stabilisé, la consigne de couple TRQCMDest ainsi mise à zéro pour limiter la consommation électrique et préserver la durée de vie du moteur électrique ME.
En référence à la , le module d’intégration 403 comporte :
  • une entrée de correction recevant une grandeur de correction de couple ΔTRQ du commutateur 404
  • une valeur maximale de couple TRQmax déterminée par la structure du moteur électrique ME, TRQmax représentant le couple moteur (positif par convention) maximal commandable pour le moteur électrique ME
  • une valeur minimale de couple TRQmin déterminée par la structure du moteur électrique ME, TRQmin représentant le couple de freinage maximal (négatif par convention) commandable pour le moteur électrique ME
  • une entrée de mise à zéro RAZ fournie par le module de mise à zéro 402
  • une sortie de consigne de couple TRQCMD.
De manière préférée, la valeur de couple minimale TRQmin et maximale TRQmax du moteur électrique ME ne sont pas forcément des constantes et peuvent être des lois fonctions de divers paramètres permettant d’exploiter au mieux les limites de fonctionnement du moteur électrique ME.
Dans cet exemple, le module d’intégration 403 est un simple intégrateur, afin d’intégrer la grandeur de correction de couple ΔTRQ. Cela permet d'assurer une erreur permanente de vitesse nulle, et donc un temps d'accélération ou de décélération prédéterminé. En pratique, un correcteur de classe 1 pour la commande est suffisant pour annuler l’erreur de suivi de trajectoire grâce à l’effet combiné avec la commande carburant. La stabilité de contrôle est avantageusement améliorée par suppression de l’effet de déphasage de -90° induit par un des intégrateurs.
La suppression du couple TRQ apporté par la machine électrique ME doit être compensée simultanément par une adaptation de la consigne de carburant WFCMD, sans quoi une perturbation du régime NL serait systématique. De manière avantageuse, l’adaptation de la consigne de carburant WFCMDest automatique et sera compensée par la première boucle B1 tant que la commande de remise à zéro de TRQCMDest supprimée suffisamment lentement de manière à ne pas dépasser la bande passante de la première boucler B1.
Il va dorénavant être présenté un exemple de mise en œuvre d’un procédé de commande d’une turbomachine dans lequel une consigne de débit de carburant WFCMDet une consigne de couple électrique TRQCMDsont déterminées.
A titre d’exemple, lorsque le pilote manipule la manette de commande pour augmenter le régime de la turbomachine T, la première boucle de régulation B1 détecte, via le module de détection d'intention de transitoire 302, un transitoire de régime et émet un indicateur d’une demande de transitoire d’accélération TopAccel. De même, le module de génération d'une trajectoire de régime 303 détermine une consigne de régime pour l’accélération (trajectoire d’accélération) NLTrajAccCons. La trajectoire d’accélération se présente sous la forme d’une pente. De plus, le module de gestion de butée 306 limite la valeur de la consigne de débit de carburant WFCMDet définit une consigne de butée en accélération TopButéeAccel qui impose une consigne maximale de carburant QMAX.
Lorsque le paramètre de température EGT s’approche de sa valeur maximale EGTMax, une valeur de correction ΔEGT est calculée puis comparée à la valeur de correction d’accélération TRQTrajAccCmd. La valeur de correction maximale choisie entre ΔEGT et TRQTrajAccCmd est fournie au comparateur 404 afin d’activer le moteur électrique ME pour réduire de manière réactive la température des gaz de sortie de la turbomachine T. Autrement dit, la présente invention fournit une valeur de correction d’accélération optimisée pour tenir compte du paramètre de température EGT. Il n’est ainsi pas nécessaire de modifier entièrement le système de régulation pour réguler le paramètre de température EGT.
Grâce à l’invention, le moteur électrique ME est utilisé avec parcimonie pour permettre un suivi de trajectoire optimal permettant d’offrir une marge de régulation de la consigne de carburant WFCMDtout en maitrisant le paramètre de température EGT. La première boucle de carburant B1 et la deuxième boucle de couple B2 sont mises en œuvre de manière synergique pour optimiser le suivi de la trajectoire de régime et ainsi améliorer l’opérabilité de la turbomachine T.
Il a été présenté une régulation de la température dans le cas d’une accélération mais elle peut survenir également lors d’un fonctionnement au plein gaz ou lors du décollage.

Claims (10)

  1. Procédé de commande d’une turbomachine (T) comprenant une soufflante (10) positionnée en amont d'un générateur de gaz et délimitant un flux primaire et un flux secondaire, ledit générateur de gaz étant traversé par le flux primaire et comprenant un compresseur basse pression (11), un compresseur haute pression (12), une chambre de combustion (13), une turbine haute pression (14) et une turbine basse pression (15), ladite turbine basse pression (15) étant reliée audit compresseur basse pression par un arbre de rotation basse pression (10) et ladite turbine haute pression (14) étant reliée audit compresseur haute pression (12) par un arbre de rotation haute pression (22), la turbomachine comprenant un moteur électrique (ME) formant un dispositif d'injection de couple sur l’arbre de rotation haute pression (22), procédé dans lequel une consigne de débit de carburant (WFCMD) dans la chambre de combustion (13) et une consigne de couple (TRQCMD) fourni au moteur électrique (ME) sont déterminées, le procédé de commande comportant :
    • une étape de détermination d’une grandeur de correction de température (ΔEGT) en fonction d’un paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGT) et d’une valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGTMAx)
    • une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple (ΔTRQ) en fonction de la grandeur de correction de température (ΔEGT) et
    • une étape de détermination de la consigne de couple (TRQCMD) en fonction de la grandeur de correction de couple (ΔTRQ).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le procédé de commande comporte :
    • une étape de mise en œuvre d’une première boucle de régulation de carburant (B1) afin de déterminer la consigne de débit de carburant (WFCMD) comprenant :
      • une étape de détection d’une intention de transitoire de régime (TopAccel, TopDecel) en fonction d’une différence entre un régime courant (NL) et une consigne de régime déterminée (NLCONS),
      • une étape de détermination d’une consigne de régime de transitoire (NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons),
      • une étape de détermination d’une grandeur de correction de carburant (ΔWF) en fonction de la consigne de régime de transitoire (NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons) et
      • une étape de détermination de la consigne de débit de carburant (WFCMD) en fonction de la grandeur de correction de carburant (ΔWF),
    • une étape de mise en œuvre d’une deuxième boucle de régulation de couple (B2) afin de déterminer la consigne de couple (TRQCMD) comprenant
      • une étape de détermination d’une grandeur de correction de couple (ΔTRQ) en fonction de la consigne de régime de transitoire (NLTrajAccCons, NLTrajDecelCons) et de la grandeur de correction de température (ΔEGT).
  3. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel, au cours de l’étape de détermination d’une grandeur de correction de couple (ΔTRQ), on sélectionne la valeur maximale entre la grandeur de correction de température (ΔEGT) et une grandeur de correction d’accélération (TRQTrajAccCmd) déterminée à partir de la consigne de régime de transitoire d’accélération (NLTrajAccCons).
  4. Procédé de commande selon l’une des revendications 1 et 2, comprenant :
    • une étape d’activation d’une commande de protection de température (ActiveProtEGT) par comparaison du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGT) à la valeur maximale du paramètre de température des gaz en sortie de la turbomachine (EGTMAx) diminuée d’un seuil de réglage prédéterminé (∆Seuil)
    • une étape d’activation de la grandeur de correction de température (ΔEGT) lorsque la commande de protection de température (ActiveProtEGT) est activée.
  5. Procédé de commande selon la revendication 3, comprenant :
    • au cours de l’étape de mise en œuvre de la deuxième boucle de régulation de couple (B2), une étape de mise à zéro de la consigne de couple (TRQCMD), l’étape de mise à zéro de la consigne de couple (TRQCMD) étant inhibée en cas d’activation de la commande de protection de température (ActiveProtEGT).
  6. Procédé de commande selon la revendication 5, dans lequel la consigne de couple (TRQCMD) est mise à zéro de manière progressive, de préférence, selon au moins un gradient de réduction.
  7. Procédé de commande selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant une étape de simple intégration de la grandeur de correction de couple (ΔTRQ) afin de déterminer la consigne de couple (TRQCMD).
  8. Programme d’ordinateur comprenant des instructions pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande selon l’une des revendications 1 à 7 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
  9. Unité électronique de commande pour turbomachine comprenant une mémoire incluant des instructions d’un programme d’ordinateur selon la revendication 8.
  10. Turbomachine comprenant une unité électronique selon la revendication 9.
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