FR3133641A1 - Procédé et unité de commande d’ensemble moteur - Google Patents

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Jean-Baptiste Etienne Bernard Lepretre
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Abstract

Procédé et unité de commande d’ensemble moteur La présente invention concerne un procédé de commande d’un ensemble moteur (100). Cet ensemble moteur (100) comprend au moins une première machine électrique (300) et un moteur à turbine à gaz (200). Le moteur à turbine à gaz (200) comprend un arbre basse pression (210) et un arbre haute pression (220). La machine électrique (300) est couplée à l’arbre basse pression (210), et le procédé de commande comprend une étape dans laquelle, un prélèvement de travail mécanique est commandé à la première machine électrique (300) pour freiner une rotation de l’arbre basse pression (210) en réponse à une activation d’un inverseur de poussée (281) du moteur à turbine à gaz (200) et/ou à une perturbation de l’écoulement d’air dans un plan transversal au niveau d’une admission d’air du moteur à turbine à gaz (200). L’invention concerne également une unité de commande (500) adaptée pour effectuer ce procédé, un ensemble moteur (100) incorporant cette unité de commande (100), la machine électrique (300) et le moteur à turbine à gaz (200), et un programme informatique pour effectuer ce procédé. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Procédé et unité de commande d’ensemble moteur
La présente invention concerne le domaine technique des ensembles moteurs d’aéronef, et plus particulièrement des ensembles moteurs comprenant au moins une machine électrique et un moteur à turbine à gaz avec au moins un arbre haute pression et un arbre basse pression.
Afin d’augmenter l’efficacité énergétique globale des moyens de transport, et diminuer leur consommation de carburant et leurs émissions d’effet de serre, de nombreux ensembles moteurs hybrides ont déjà été proposés combinant moteurs à combustion et machines électriques contribuant au rendement global au-delà du simple démarrage des moteurs à combustion interne. Bien que ces ensembles moteurs hybrides aient le plus souvent été proposés pour les véhicules automobiles et incorporé des moteurs à pistons, l’hybridation des moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement des moteurs à turbine à gaz pour aéronefs a aussi été envisagée.
Dans le contexte des moteurs à turbine à gaz, et en particulier des moteurs à turbine à gaz pour aéronefs, l’hybridation peut en fait présenter des avantages autres que l’efficacité énergétique. Ainsi, dans la demande de brevet d’invention français avec le numéro de publication FR 3 094 043 A1, il a été proposé d’utiliser une machine électrique pour prélever un travail mécanique sur l’arbre basse pression d’un moteur à turbine à gaz et ainsi le freiner, de manière à éviter une situation d’instabilité du compresseur basse pression, et notamment un risque de pompage pouvant être aggravé, par exemple, en situation de décélération du moteur à turbine à gaz et/ou de changement d’angle de calage d’aubes de stator. Ceci peut éviter d’utiliser l’ouverture de vannes de décharge en sortie du compresseur basse pression, et ainsi éviter une perte d’efficacité énergétique.
Les inventeurs ont reconnu d’autres situations présentant un risque d’instabilité du compresseur basse pression d’un moteur à turbine à gaz avec un arbre haute pression et un arbre basse pression. La présente divulgation vise donc à éviter, dans ces autres situations à risque, l’instabilité du compresseur basse pression d’un tel moteur à turbine à gaz dans un ensemble moteur d’aéronef comprenant le moteur à turbine à gaz et au moins une première machine électrique à laquelle l’arbre basse pression du moteur à turbine à gaz est couplée mécaniquement, et cela sans devoir ouvrir des vannes de décharge.
Pour cela, suivant un premier aspect de cette divulgation, un procédé de commande d’un tel ensemble moteur peut comprendre une étape dans laquelle un prélèvement de travail mécanique est commandé à la première machine électrique pour freiner une rotation de l’arbre basse pression en réponse à une activation d’un inverseur de poussée du moteur à turbine à gaz et/ou à un une perturbation de l’écoulement d’air dans un plan transversal au niveau d’une admission d’air du moteur à turbine à gaz.
Grâce à cette extraction d’énergie mécanique, la marge de stabilité du compresseur basse pression peut être efficacement élargie en réponse à ces situations à risque, et cela malgré l’inertie typiquement élevée de l’arbre basse pression, de manière plus rapide qu’avec des vannes de décharge et en récupérant de l’énergie électrique pouvant être utilisée ou stockée à bord de l’aéronef.
Ainsi, le moteur à turbine à gaz peut comprendre une soufflante couplée à l’arbre basse pression pour être entrainée en rotation par l’arbre basse pression. Dans ce cas, la soufflante pourrait comprendre des pales à calage variable et le prélèvement de travail mécanique par la première machine électrique pourrait être commandé conjointement à un changement de calage des pales de la soufflante, de manière à aussi augmenter le travail absorbé par la soufflante pour mieux freiner l’arbre basse pression. Toutefois, l’application de ce procédé est également envisageable avec d’autres types de moteur à turbine à gaz dont l’arbre basse pression serait couplé mécaniquement en rotation à des organes à grande inertie en rotation, tels que par exemple un turbopropulseur dans lequel l’arbre basse pression serait couplé mécaniquement en rotation à au moins une hélice propulsive, ou un turbomoteur dans lequel l’arbre basse pression serait couplé mécaniquement en rotation à au moins un rotor de sustentation.
Ce procédé est par ailleurs applicable aux ensembles moteurs comprenant un réducteur connecté à l’arbre basse pression pour l’entrainement d’un organe mécanique par l’arbre basse pression à travers le réducteur, comme par exemple les turboréacteurs à soufflante à réducteur ainsi que la plupart des turbopropulseurs et turbomoteurs.
Ledit travail mécanique peut notamment être commandé en boucle ouverte. Ainsi, dans sa forme la plus simple, le prélèvement d’une puissance mécanique prédéterminée peut être commandé pendant une durée de temps également prédéterminée afin de prélever le travail mécanique. Il est toutefois aussi envisageable que la puissance mécanique prélevée et/ou la durée du prélèvement soient variables, en fonction par exemple de la position de l’inverseur de poussée et/ou d’une composante de l’écoulement de l’air dans un plan transversal au niveau de l’admission d’air.
Un deuxième aspect de cette divulgation concerne une unité de commande de l’ensemble moteur susmentionné qui peut être adaptée pour commander, à la première machine électrique, un prélèvement de travail mécanique pour freiner une rotation de l’arbre basse pression en réponse à une activation d’un inverseur de poussée du moteur à turbine à gaz et/ou à un écoulement transversal au niveau d’une admission d’air du moteur à turbine à gaz.
Un troisième aspect de cette divulgation concerne un ensemble moteur comprenant l’unité de commande du deuxième aspect ainsi que la machine électrique et le moteur à turbine à gaz.
Un quatrième aspect de cette divulgation concerne un programme d’ordinateur pouvant comprendre des instructions qui, mises en œuvre par une unité de commande de l’ensemble moteur susmentionné, conduisent l’unité de commande à effectuer le procédé de commande du premier aspect.
L’objet du présent exposé et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de modes de réalisation donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
La est une représentation schématique d’un ensemble moteur suivant un mode de réalisation, comprenant un moteur à turbine à gaz, deux machines électriques et une unité de commande.
La est une représentation d’un réseau électrique d’aéronef comprenant deux ensembles moteurs comme celui de la .
Comme illustré sur la , un ensemble moteur 100 hybride suivant un mode de réalisation peut comprendre un moteur à turbine à gaz 200, une première machine électrique 300, une deuxième machine électrique 400 et une unité de commande 500. Le moteur à turbine à gaz 200 peut comprendre un arbre basse pression 210 et un arbre haute pression 220. L’arbre basse pression 210 et l’arbre haute pression 220 peuvent être arrangés coaxialement, comme illustré. Le moteur à turbine à gaz 200 peut aussi comprendre un compresseur basse pression 230, un compresseur haute pression 240, une chambre de combustion 250, une turbine haute pression 260, et une turbine basse pression 270, arrangés successivement dans le sens de l’écoulement dans une veine annulaire de fluide de travail, de manière à ce que de l’air admis en amont du compresseur basse pression 230 soit successivement comprimé dans le compresseur basse pression 230 et dans le compresseur haute pression 240, pour ensuite générer dans la chambre de combustion 250 des gaz de combustions chauds par combustion d’un carburant injecté dans cette chambre de combustion. Ces gaz de combustion peuvent alors être successivement détendus dans la turbine haute pression 260 et dans la turbine basse pression 270, de manière à les actionner en rotation. L’arbre haute pression 220 peut être couplé mécaniquement à la turbine haute pression 260 et au compresseur haute pression 240, de manière à ce que la turbine haute pression 260 puisse entrainer en rotation l’arbre haute pression 220 et le compresseur haute pression 240, tandis que l’arbre basse pression 210 peut être couplé mécaniquement à la turbine basse pression 270 et au compresseur basse pression 230, de manière à ce que la turbine basse pression 270 puisse entrainer en rotation l’arbre basse pression 210 et le compresseur basse pression 230.
Comme dans le mode de réalisation illustré, le moteur à turbine à gaz 200 peut être un turboréacteur à double flux comprenant aussi une soufflante 280, qui peut aussi être couplée mécaniquement à l’arbre basse pression 230, de manière à pouvoir être aussi entrainée en rotation par la turbine basse pression 270 à travers l’arbre basse pression 210. Comme illustré, le moteur de turbine à gaz 200 pourrait comprendre aussi un réducteur 290 interposé entre l’arbre basse pression 210 et la soufflante 280, de manière à ce que la soufflante 280 puisse être entrainée avec une moindre vitesse de rotation que l’arbre basse pression 210. Toutefois, une soufflante à entrainement direct par l’arbre basse pression 210 est également envisageable. Par ailleurs, d’autres architectures du moteur à turbine à gaz 200, sans soufflante, sont également envisageables. Ainsi, le moteur à turbine à gaz 200 pourrait alternativement être un turbopropulseur, avec au moins une hélice propulsive mécaniquement couplée à l’arbre basse pression 210 à travers le réducteur 290, ou un turbomoteur, avec au moins un rotor de sustentation mécaniquement couplé à l’arbre basse pression 210 à travers le réducteur 290. Il est également envisageable, en particulier pour un turbomoteur ou un turbopropulseur, que le moteur à turbine à gaz 200 ne comprenne qu’un seul compresseur, couplé mécaniquement à l’arbre haute pression 210.
Le moteur à turbine à gaz 200 peut par ailleurs comprendre un inverseur de poussée 281, comprenant des clapets et des actionneurs pour rediriger vers l’avant au moins une partie de l’air impulsé par la soufflante 280, et un ou plusieurs capteurs 282 pour détecter une perturbation de l’écoulement de l’air dans un plan transversal au niveau de l’admission d’air dans le moteur à turbine à gaz 200, perturbation qui, dans un moteur à turbine à gaz 200 servant à propulser un aéronef, peut être provoquée par un vent de travers et/ou par un écoulement tourbillonnaire induit par l’aéronef lui-même. Ces capteurs 282 peuvent être disposés, comme illustré, au niveau de l’admission du moteur à turbine à gaz 200, c’est-à-dire, directement en amont de la soufflante 280, mais il serait aussi envisageable, alternativement ou en complément de cette disposition des capteurs 282, d’utiliser des capteurs disposés ailleurs à l’extérieur du moteur à turbine à gaz 200, notamment pour détecter le vent de travers, et/ou des capteurs disposés à l’intérieur du moteur à turbine à gaz 200 et adaptés à détecter une instabilité résultante d’une perturbation de l’écoulement au niveau de l’admission. Lesdits capteurs 282 peuvent notamment être des capteurs de pression dynamique.
La première machine électrique 300 peut être, comme illustré, configurée en tant que moteur-générateur pour sélectivement transformer de l’énergie électrique en travail mécanique en mode moteur et du travail mécanique en énergie électrique en mode générateur. Cette première machine électrique 300 peut être couplée mécaniquement à l’arbre basse pression 210 pour actionner, en mode moteur, l’arbre basse pression 210, et pour être actionnée, en mode générateur, par l’arbre basse pression 210. Toutefois, il est également envisageable, dans le cadre de la présente divulgation, qu’elle ne soit configurée qu’en tant que générateur électrique, apte uniquement à transformer du travail mécanique en énergie électrique.
De manière analogue, la deuxième machine électrique 400 peut aussi être, comme illustré, configurée en tant que moteur-générateur pour sélectivement transformer de l’énergie électrique en travail mécanique en mode moteur et du travail mécanique en énergie électrique en mode générateur. Cette deuxième machine électrique peut être couplée mécaniquement à l’arbre haute pression 220 pour actionner, en mode moteur, l’arbre haute pression 220, et pour être actionnée, en mode générateur, par l’arbre haute pression 220. Toutefois, il est également envisageable, dans le cadre de la présente divulgation, qu’elle ne soit configurée qu’en tant que moteur électrique, apte uniquement à transformer de l’énergie électrique en travail mécanique.
Comme illustré sur la , dans un aéronef 10, qui peut être un aéronef 10 avec un ou plusieurs ensembles moteurs 100 analogues, chacune des première et deuxième machines électriques 300, 400 de chaque ensemble moteur 100 peuvent être connectées électriquement à un réseau électrique 20. Ce réseau électrique 20 peut être un réseau électrique à courant continu, et chacune des première et deuxième machines électriques 300, 400 de chaque ensemble moteur 100 peuvent alors être connectées électriquement au réseau électrique 20 à travers un convertisseur 30 correspondant. Pour alimenter ce réseau électrique, l’aéronef 10 peut également comporter une pile à combustible 50, une dispositif de stockage électrique 60 (qui peut comprendre p.ex. une batterie et/ou un supercondensateur) et/ou un groupe électrogène auxiliaire 40, qui peut comporter un générateur 41 couplé mécaniquement à un moteur à combustion 42 pour son actionnement et être connecté électriquement au réseau électrique 20 à travers un autre convertisseur 30.
L’unité de commande 500 peut être une unité de commande électronique, éventuellement une unité de commande moteur numérique à pleine autorité (en anglais : « Full Authority Digital Engine Control » ou FADEC). Elle peut notamment prendre la forme d’un processeur électronique apte à mettre en œuvre les instructions d’un programme d’ordinateur pour commander le fonctionnement de l’ensemble moteur 100. Cette unité de commande 500 peut être connectée au moteur à turbine à gaz 200 notamment pour recevoir des données des capteurs 282 et/ou pour commander l’alimentation de la chambre de combustion 250 en carburant, la position des clapets de l’inverseur de poussée 281 et/ou le calage des différents aubages réglables, ainsi qu’à chacune des première et deuxième machine électriques 300, 400 pour commander l’injection et/ou extraction de travail mécanique de l’arbre basse pression 210 et de l’arbre haute pression 220, respectivement. L’unité de commande 500 peut aussi être connecté à une commande manuelle, comme par exemple une manette de gaz 80, et/ou à un ordinateur de vol 90, afin de recevoir une consigne de fonctionnement de l’ensemble moteur 100, qui peut par exemple prendre la forme d’une consigne de poussée, de puissance, ou de vitesse de rotation de l’arbre basse pression 210 et/ou de l’arbre haute pression 220. Dans l’aéronef 10, l’unité de commande 500 de chaque ensemble moteur 100 peut par ailleurs être aussi connectée à une unité de commande 70 du réseau électrique 20, qui peut être connectée à son tour à chaque convertisseur 30, au groupe électrogène 40, à la pile à combustible 50 et/ou au dispositif de stockage électrique 60, afin de maintenir un équilibre dans le réseau électrique 20.
L’unité de commande 500 peut être adaptée pour mettre en œuvre un procédé de commande de l’ensemble moteur 100, dans lequel, en réponse à l’activation de l’inverseur de poussée 281 et/ou à un écoulement transversal détecté à travers les capteurs 282 au niveau de l’admission d’air du moteur à turbine à gaz 200, le prélèvement d’un travail mécanique Welest commandé à la première machine électrique 300 pour freiner la rotation de l’arbre basse pression 210. Le travail mécanique Welapporté par la première machine électrique 300 peut être commandé en boucle ouverte. Dans ce cas, chacune de la puissance prélevée par la première machine électrique 300 pendant cet apport et de la durée de cet apport peut être prédéterminée ou variable en fonction, par exemple, d’une consigne de position de l’inverseur de poussée et/ou d’une composante transversale d’écoulement de l’air au niveau de l’admission du moteur à turbine à gaz 200. La puissance prélevée peut être constante pendant la durée de l’apport ou suivre un profil prédéterminé.
Afin d’assurer l’alimentation électrique de la première machine électrique 300 pendant l’apport tout en maintenant l’équilibre du réseau électrique 20, l’unité de commande 500 peut commander, simultanément au prélèvement du travail mécanique Welpar la première machine électrique 300 sur l’arbre basse pression 210, l’injection d’une énergie électrique correspondante par la deuxième machine électrique 400 dans l’arbre haute pression 220 et/ou son stockage dans le dispositif de stockage électrique 60.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des modes de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (9)

  1. Procédé de commande d’un ensemble moteur (100) d’aéronef comprenant au moins une première machine électrique (300) et un moteur à turbine à gaz (200) avec un arbre haute pression (220) et un arbre basse pression (210) couplé mécaniquement à la première machine électrique (300), le procédé de commande comprenant une étape dans laquelle un prélèvement de travail mécanique est commandé à la première machine électrique (300) pour freiner une rotation de l’arbre basse pression (210) en réponse à une activation d’un inverseur de poussée (281) du moteur à turbine à gaz (200) et/ou à une perturbation de l’écoulement d’air dans un plan transversal au niveau d’une admission d’air du moteur à turbine à gaz (200).
  2. Procédé de commande suivant la revendication 1, dans lequel le moteur à turbine à gaz (200) est un turboréacteur comprenant une soufflante (280) couplée à l’arbre basse pression (210) pour être entrainée en rotation par l’arbre basse pression (210).
  3. Procédé de commande suivant la revendication 2, dans lequel la soufflante (280) comprend des pales à calage variable et le prélèvement de travail mécanique par la première machine électrique (300) est commandé conjointement à un changement de calage des pales de la soufflante (280).
  4. Procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un réducteur (290) connecté à l’arbre basse pression (210) pour l’entrainement d’un organe mécanique par l’arbre basse pression (210) à travers le réducteur (290).
  5. Procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit prélèvement de travail mécanique est commandé en boucle ouverte.
  6. Procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une étape supplémentaire de consommation et/ou stockage d’une énergie électrique générée par ledit prélèvement de travail mécanique.
  7. Unité de commande (500) d’un ensemble moteur (100) d’aéronef comprenant au moins une première machine électrique (300) et un moteur à turbine à gaz (200) avec un arbre haute pression (220) et un arbre basse pression (210) couplé mécaniquement à la première machine électrique (300), l’unité de commande (500) étant caractérisée en ce qu’elle est adaptée pour commander, à la première machine électrique (300), un prélèvement de travail mécanique pour freiner une rotation de l’arbre basse pression (210) en réponse à une activation d’un inverseur de poussée (281) du moteur à turbine à gaz (200) et/ou à une perturbation de l’écoulement d’air dans un plan transversal au niveau d’une admission d’air du moteur à turbine à gaz (200).
  8. Ensemble moteur (100) d’aéronef comprenant l’unité de commande (500) de la revendication 7 ainsi que la première machine électrique (300) et le moteur à turbine à gaz (200).
  9. Programme informatique comprenant des instructions qui, mises en œuvre par une unité de commande (500) d’un ensemble moteur (100) d’aéronef comprenant une première machine électrique (300) et un moteur à turbine à gaz (200) avec un arbre haute pression (220) et un arbre basse pression (210) couplé mécaniquement à la première machine électrique (300), conduisent l’unité de commande (500) à effectuer le procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 à 6.
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