FR3125092A1 - Procédé de régulation d’une turbomachine - Google Patents

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Abstract

Le présent document concerne un procédé de régulation d’une turbomachine (100) comprenant une turbine haute pression (114) reliée à un arbre haute pression (122) et une turbine basse pression (115) reliée à un arbre basse pression (121), des gaz chauds en sortie de la turbine haute pression entrainant la turbine basse pression, le procédé comprenant : a- assister électriquement (l’arbre haute pression (122), pour fournir audit arbre haute pression, une énergie électrique en supplément d’une énergie thermique issue d’une chambre de combustion (113) de la turbomachine, pendant une durée d’assistance, et b- corriger le régime de l’arbre basse pression (121) pour atteindre un régime de référence de l’arbre basse pression (121) préalablement déterminé en l’absence d’assistance électrique. Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 1]

Description

Procédé de régulation d’une turbomachine
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne une turbomachine pour aéronef, en particulier, la régulation d'une turbomachine utilisant une assistance électrique.
Etat de la technique antérieure
On connait la turbomachine 100, similaire à celle décrite dans le document FR 3087491, telle que représentée schématiquement sur la , du type turboréacteur à double flux et double corps pour aéronef. La turbomachine 100 comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz F, 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, 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 générant des gaz chauds. 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.
L'arbre BP 121 et l’arbre HP 122 ne tournent en général pas à la même vitesse et ils n'ont pas la même inertie. Par conséquent, notamment dans les phases d’accélération, le compresseur BP 111 (on parle de régime N1) accélère plus lentement que le compresseur HP 112 (on parle de régime N2), à cause en partie de leur inertie différente. On obtient alors une situation où le compresseur BP 111 comprime plus d'air que le compresseur HP 112 ne peut recevoir. Cette situation crée un risque de pompage dans la zone du compresseur BP 111. Ce phénomène correspond à des fluctuations importantes et rapides de la pression en aval du compresseur concerné. Un pompage une fois amorcé peut conduire à une extinction de la chambre de combustion. Il génère en outre des à-coups importants sur les aubages du compresseur et peut ainsi conduire à des dégradations mécaniques.
La conception de la turbomachine 100 nécessite de prendre en compte une marge suffisante contre le phénomène de pompage. 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 carburant, 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. Il convient de remarquer que le rendement du compresseur haute pression (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.
Les solutions actuelles de pilotage de turbomachine impliquent plusieurs logiques de régulation du débit carburant. Pendant les phases stabilisées, le débit carburant à fournir à la turbomachine est calculé en fonction de l’écart en régime N1 de l’arbre BP 121 entre une consigne de commande et le régime courant. Pendant les phases transitoires, une boucle de régulation en N2 de l’arbre HP 122 est activée afin de maitriser l’accélération et l’excursion du point de fonctionnement dans le champ du compresseur HP 112. La boucle de régulation génère une trajectoire d’accélération basée sur un profil de dérivée temporelle du régime N2 de l’arbre HP 122 en fonction du régime courant, ce qui permet d’accélérer en sécurité la turbomachine. Cependant, dans des conditions environnementales sévères que traversent la turbomachine 100 telles qu’une région chaude, une haute altitude ou des conditions fortes de prélèvement mécanique, une butée d’opérabilité peut être atteinte, laquelle permet de garder une marge de sécurité par rapport à la ligne de pompage. Ceci entraine une limitation du débit carburant qui peut être injecté lors des accélérations et donc entraine des performances d’accélération dégradées. Ceci risque d’empêcher la réalisation de la trajectoire du régime N2 de l’arbre HP 122 initialement prévue. Pour éviter cette situation, une solution consiste à utiliser de l’hybridation de l’arbre HP 122 en apportant du couple produit par un moteur électrique pour retrouver les performances d’accélération en régime N2 de l’arbre HP 122 tout en limitant le débit carburant. Cependant, l’apport du couple mécanique par le biais du moteur électrique entraine un déficit de puissance des gaz chauds générées par la turbine HP et la chambre de combustion et qui sont injectés en entrée de la turbine BP. Ceci résulte en un retard d’accélération du régime N1 de l’arbre BP 121 dans les cas où l’assistance électrique de l’arbre HP 122 est utilisée en comparaison à une accélération nominale réalisée uniquement à l’aide du carburant.
Il existe donc un besoin de fournir des moyens de régulation pour rattraper ou limiter le retard d’accélération de l’arbre BP 121 lors de l’apport du couple mécanique par le biais du moteur électrique.
A cet effet, le présent document propose un procédé de régulation d’une turbomachine comprenant une turbine haute pression reliée à un arbre haute pression et une turbine basse pression reliée à un arbre basse pression, des gaz chauds en sortie de la turbine haute pression entrainant la turbine basse pression, le procédé comprenant :
a- assister électriquement l’arbre haute pression par le biais d’une machine électrique, pour fournir audit arbre haute pression, une énergie mécanique issue de l’énergie électrique fournie à la machine électrique en supplément d’une énergie thermique issue d’une chambre de combustion de la turbomachine, pendant une durée d’assistance, et
b- corriger le régime de l’arbre basse pression pour atteindre un régime de référence de l’arbre basse pression préalablement déterminé en l’absence d’assistance électrique.
Le procédé permet de limiter la perte en accélération de l’arbre basse pression lors des phases d’assistance électrique de l’arbre haute pression. Ainsi, le procédé permet de compenser la perte d’accélération subie lors de la phase d’assistance électrique pour qu’à la fin le temps d’accélération de l’arbre BP soit le même que pour une accélération non hybridée ou sans assistance électrique.
Le régime de l’arbre basse pression, respectivement le régime de l’arbre haute pression, peut être un régime réduit de l’arbre basse pression, respectivement le régime de l’arbre haute pression.
Le régime de référence de l’arbre BP peut être préalablement déterminé pour une pluralité d’instants de fonctionnement de la turbomachine, en l’absence de toute assistance électrique de l’arbre HP.
Le régime de référence de l’arbre BP peut être préalablement déterminé pour une pluralité de régimes de fonctionnement de l’arbre HP, en l’absence de toute assistance électrique de l’arbre HP.
Le régime de référence de l’arbre basse pression peut être déterminé expérimentalement ou par simulation.
La turbomachine peut comprendre une soufflante positionnée en amont d'un générateur de gaz chauds et délimitant un flux primaire et un flux secondaire. Le générateur de gaz chauds est traversé par le flux primaire et comprend un compresseur haute pression, une chambre de combustion et une turbine haute pression.
La turbomachine peut comprendre un moteur électrique permettant de fournir un couple d’assistance à l'arbre haute pression lors des phases d’assistance électrique.
Le procédé peut comprendre les étapes consistant à :
b1- déterminer un déficit d’énergie en sortie de la turbine haute pression, en fonction de la différence entre la puissance des gaz chauds générés et la puissance de référence des gaz chauds en l’absence d’assistance électrique, pendant la durée d’assistance,
b2- calculer un couple mécanique à prélever par le biais de la machine électrique au niveau de l’arbre haute pression en fonction dudit déficit d’énergie,
b3- prélever, de l’arbre haute pression, ledit couple mécanique à prélever, par le biais de la machine électrique à l’issue de la durée d’assistance.
La machine électrique peut être pilotée pour prélever le couple mécanique calculé à l’étape b2 pour freiner l’arbre haute pression. Ceci a pour effet d’augmenter le débit carburant à fournir à la chambre de combustion de la turbomachine pour maintenir le régime de l’arbre haute pression à un niveau de régime de consigne, en particulier pour respecter une trajectoire d’accélération de l’arbre haute pression.
La puissance de référence des gaz chauds peut être préalablement déterminée pour une pluralité d’instants de fonctionnement de la turbomachine, en l’absence de toute assistance électrique de l’arbre haute pression. Cette détermination peut être réalisée expérimentalement ou par simulation.
L’étape b3 peut être réalisée jusqu’à ce que la puissance des gaz chauds à un régime donné de l’arbre haute pression est égale ou supérieure à la puissance de référence des gaz chauds pour le même régime donné de l’arbre haute pression.
L’étape b1 peut comprendre les sous-étapes consistant à :
- pour chaque instant de la durée d’assistance, calculer une différence entre la puissance des gaz chauds générés et la puissance de référence des gaz chauds en l’absence d’assistance électrique,
- calculer le déficit d’énergie par intégration sur la durée d’assistance des différences calculées.
Deux instants successifs peuvent être séparés par une durée prédéterminé qui peut être la durée d’une boucle de commande de la turbomachine.
L’étape b2 peut comprendre les sous-étapes suivantes :
- fournir un instant objectif pour atteindre le régime de référence de l’arbre basse pression,
- calculer une puissance moyenne en fonction du déficit d’énergie et de l’instant objectif,
- calculer le couple mécanique à prélever par le biais de la machine électrique en fonction de la puissance moyenne, pour fournir ladite puissance moyenne à l’arbre basse pression.
La puissance moyenne peut être calculée selon la formule suivante :
avec étant la puissance moyenne, étant le déficit d’énergie, étant l’instant objectif et étant la durée d’assistance électrique.
Le couple mécanique à prélever par le biais de la machine électrique peut être calculé en fonction de la puissance moyenne à l’aide d’une loi préétablie.
La puissance des gaz chauds générés peut être déterminée en fonction du régime de l’arbre haute pression et du couple d’assistance mécanique généré par le biais de la machine électrique. Par exemple, la puissance des gaz chauds peut être déterminée en consultant une base de données préalablement établie comprenant des valeurs de la puissance des gaz chauds en relation avec des valeurs du régime de l’arbre haute pression et des valeurs de couple d’assistance mécanique fourni par le biais de la machine électrique.
La puissance de référence des gaz chauds peut être préalablement déterminée en fonction du régime de l’arbre haute pression lorsque le couple d’assistance mécanique généré par le biais de la machine électrique est nul. Par exemple, La puissance de référence des gaz chauds peut être déterminée en consultant une base de données préalablement établie comprenant des valeurs de la puissance de référence des gaz chauds en fonction de valeurs du régime de l’arbre haute pression.
Le procédé peut comprendre les opérations consistant à :
b1’- déterminer un coefficient correcteur en fonction du couple d’assistance mécanique généré par le biais de la machine électrique, et
b2’- réguler le régime de l’arbre haute pression en fonction du coefficient correcteur.
Le coefficient correcteur peut être déterminé en fonction du régime de l’arbre haute pression à un instant du fonctionnement de la turbomachine et un régime corrigé de l’arbre haute pression
Le régime corrigé de l’arbre haute pression peut être déterminé selon les opérations suivantes :
- mesurer le régime de l’arbre haute pression audit instant de fonctionnement, en particulier pendant la phase d’assistance électrique,
- déterminer la puissance des gaz chauds de référence correspondant au régime de l’arbre haute pression pour ledit instant de fonctionnement en l’absence d’assistance électrique, et
- déterminer le régime corrigé de l’arbre haute pression en fonction de la puissance de référence des gaz chaud et du couple d’assistance mécanique généré par le biais de la machine électrique audit instant de fonctionnement.
Ainsi, le régime corrigé de l’arbre haute pression peut être configuré pour produire à chaque instant de fonctionnement une puissance de gaz chauds pendant l’assistance électrique équivalente à une puissance de gaz chauds pour un même régime de l’arbre haute pression en l’absence d’assistance électrique.
Le coefficient correcteur peut être le rapport entre le régime corrigé de l’arbre haute pression et le régime de référence de l’arbre haute pression en l’absence d’assistance électrique.
L’opération b2’ peut comprendre les sous-opérations suivantes :
- fournir une trajectoire d’accélération de l’arbre haute pression,
- appliquer le coefficient correcteur à la trajectoire d’accélération de l’arbre haute pression,
- contrôler le régime de l’arbre haute pression pour suivre la trajectoire de la trajectoire corrigée d’accélération de l’arbre haute pression.
Le régime de l’arbre haute pression, respectivement le régime de l’arbre basse pression, peut être déterminé par une vitesse de rotation ou une accélération de l’arbre haute pression, respectivement de l’arbre basse pression.
La turbomachine peut être une turbomachine d’aéronef.
Le présent document concerne encore un programme d’ordinateur comportant des instructions pour l’exécution d’un tel que précité lorsque ledit programme est exécuté par un processeur.
Le présent document concerne encore un dispositif comprenant des moyens configurés pour mettre en œuvre le procédé tel que précité.
Brève description des figures
représente schématiquement une turbomachine selon l'art antérieur,
la figure 2a représente des courbes comparatives de la puissance des gaz générés en sortie de la turbine haute pression de la turbomachine de la avec et sans assistance électrique, et la figure 2b représente les variations de la puissance des gaz générés en fonction du régime de l’arbre haute pression et du niveau d’assistance électrique.
représente schématiquement un premier exemple de procédé de régulation de la turbomachine de la ,
représente un schéma bloc pour calculer le déficit d’énergie de l’étape 202 du premier exemple de procédé de la ,
représente les courbes comparatives de la en plus d’une courbe du régime corrigé de l’arbre basse pression en utilisant le procédé de la .
représente un schéma bloc d’un second exemple de procédé de régulation de la turbomachine de la .
représente un schéma bloc détaillant l’étape A2 du second exemple de procédé de la .
représente les courbes comparatives de la en plus d’une courbe du régime corrigé de l’arbre basse pression en utilisant le procédé de la .

Claims (12)

  1. Procédé (200,300) de régulation d’une turbomachine (100) comprenant une turbine haute pression (114) reliée à un arbre haute pression (122) et une turbine basse pression (115) reliée à un arbre basse pression (121), des gaz chauds en sortie de la turbine haute pression entrainant la turbine basse pression, le procédé comprenant*:
    a- assister (202, D-300) l’arbre haute pression (122) par le biais d’une machine électrique, pour fournir audit arbre haute pression, une énergie mécanique issue de l’énergie électrique fournie à la machine électrique en supplément d’une énergie thermique issue d’une chambre de combustion (113) de la turbomachine, pendant une durée d’assistance (tassist), et
    b- corriger le régime (B-300) de l’arbre basse pression (121) pour atteindre un régime de référence (A-300) de l’arbre basse pression (121) préalablement déterminé en l’absence d’assistance électrique.
  2. Procédé (200) selon la revendication 1, comprenant les étapes consistant à :
    b1- déterminer (204) un déficit d’énergie ( ) en sortie de la turbine haute pression (114), en fonction de la différence entre la puissance des gaz chauds générés et la puissance de référence des gaz chauds en l’absence d’assistance électrique, pendant la durée d’assistance (tassist),
    b2- calculer (206) un couple mécanique à prélever par le biais de la machine électrique ( ) au niveau de l’arbre haute pression (122) en fonction dudit déficit d’énergie,
    b3- prélever (208), de l’arbre haute pression (122), ledit couple mécanique à prélever, par le biais de la machine électrique ( ) à l’issue de la durée d’assistance (tassist).
  3. Procédé (200) selon la revendication précédente, dans lequel l’étape b1 comprend les sous-étapes consistant à :
    - pour chaque instant de la durée d’assistance, calculer une différence ( ) entre la puissance ( ) des gaz chauds générés et la puissance de référence ( ) des gaz chauds en l’absence d’assistance électrique,
    - calculer le déficit d’énergie par intégration sur la durée d’assistance (tassist) des différences calculées ( ).
  4. Procédé (200) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’étape b2 comprend les sous-étapes suivantes :
    - fournir un instant objectif ( ) pour atteindre le régime de référence de l’arbre basse pression,
    - calculer une puissance moyenne en fonction du déficit d’énergie ( ) et de l’instant objectif ( ),
    - calculer le couple mécanique à prélever par le biais de la machine électrique ( ) en fonction de la puissance moyenne, pour fournir ladite puissance moyenne à l’arbre basse pression.
  5. Procédé (200) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel la turbomachine (100) comprend un moteur électrique (M) configuré pour fournir un couple mécanique ( ) par le biais de la machine électrique à l’arbre haute pression (122), et la puissance des gaz chauds générés ( étant déterminée en fonction du régime (N2r) de l’arbre haute pression (122) et du couple d’assistance mécanique généré par le biais de la machine électrique ( ), et la puissance de référence ( ) des gaz chauds étant préalablement déterminée en fonction du régime de l’arbre haute pression (122) lorsque le couple d’assistance mécanique généré par le biais de la machine électrique est nul.
  6. Procédé (300) selon la revendication 1, dans lequel la turbomachine (100) comprend un moteur électrique (M) configuré pour fournir un couple d’assistance mécanique par le biais de la machine électrique ( ) à l’arbre haute pression (122) pendant la durée d’assistance (tassist), et le procédé comprenant les opérations consistant à :
    b1’- déterminer (A321) un coefficient correcteur en fonction du couple d’assistance mécanique généré par le biais de la machine électrique, et
    b2’- réguler le régime de l’arbre haute pression en fonction du coefficient correcteur.
  7. Procédé (300) selon la revendication précédente, dans lequel le coefficient correcteur ( ) est déterminé en fonction du régime (N2r) de l’arbre haute pression (121) à un instant du fonctionnement de la turbomachine (100) et un régime corrigé ( ) de l’arbre haute pression (121).
  8. Procédé (300) selon la revendication précédente, dans lequel le coefficient correcteur ( ) est le rapport entre le régime (N2r) de l’arbre haute pression à l’instant du fonctionnement de la turbomachine et le régime corrigé ( ) de l’arbre haute pression.
  9. Procédé (300) selon la revendication 7 ou 8, la détermination du régime corrigé ( ) de l’arbre haute pression comprend, pour un instant de fonctionnement de la turbomachine, les opérations suivantes:
    - mesurer le régime de l’arbre haute pression audit instant de fonctionnement, en particulier pendant la phase d’assistance électrique,
    - déterminer la puissance des gaz chauds de référence correspondant au régime de l’arbre haute pression pour ledit instant de fonctionnement en l’absence d’assistance électrique, et
    - déterminer le régime corrigé de l’arbre haute pression en fonction de la puissance de référence des gaz chaud et du couple d’assistance mécanique généré par le biais de la machine électrique audit instant de fonctionnement.
  10. Procédé (300) selon l’une des revendications 6 à 9, dans lequel l’étape b2’ comprend les sous-opérations suivantes :
    - fournir une trajectoire d’accélération (306) de l’arbre haute pression (122),
    - appliquer (A322) le coefficient correcteur ( ) à la trajectoire d’accélération (306) de l’arbre haute pression,
    - contrôler le régime de l’arbre haute pression pour suivre la trajectoire de la trajectoire corrigée d’accélération de l’arbre haute pression.
  11. Programme d’ordinateur comportant des instructions pour l’exécution d’un procédé selon l’une des revendications précédentes lorsque ledit programme est exécuté par un processeur.
  12. Dispositif (1000) comprenant des moyens configurés pour mettre en œuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 10.
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