WO2021181027A1 - Procédé de contrôle d'une turbomachine comportant une machine électrique - Google Patents

Procédé de contrôle d'une turbomachine comportant une machine électrique Download PDF

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WO2021181027A1
WO2021181027A1 PCT/FR2021/050347 FR2021050347W WO2021181027A1 WO 2021181027 A1 WO2021181027 A1 WO 2021181027A1 FR 2021050347 W FR2021050347 W FR 2021050347W WO 2021181027 A1 WO2021181027 A1 WO 2021181027A1
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torque
turbomachine
setpoint
corresponds
stop
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PCT/FR2021/050347
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Nawal Jaljal
Panagiotis GIANNAKAKIS
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Safran
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/48—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant
    • F02C9/56—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with power transmission control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F05D2270/10—Purpose of the control system to cope with, or avoid, compressor flow instabilities
    • F05D2270/101—Compressor surge or stall

Definitions

  • the present invention belongs to the general field of aeronautics, and in particular that of turbomachines. It relates more particularly to a method for controlling a turbomachine, said turbomachine comprising a low pressure body and a high pressure body respectively driven by a low pressure rotation shaft and a high pressure rotation shaft, as well as at least one electric machine. forming a torque injection / sampling device on one of said rotation shafts.
  • FIG. 1 there is shown schematically a turbomachine 100 comprising a gas generator. More particularly, the example of FIG. 1 illustrates a turbomachine 100 of the double-flow and double-body turbojet type for an aircraft.
  • the turbomachine 100 comprises, from upstream to downstream in the direction of the gas flow, a fan 110, a low pressure compressor 111, a high pressure compressor 112, a combustion chamber 113 which receives a QCMD fuel flow setpoint, a high pressure turbine 114, a low pressure turbine 115 and a primary exhaust nozzle 116.
  • the low pressure (or LP) compressor 111 and the low pressure turbine 115 are connected by a low pressure shaft 121 and together form a low pressure body.
  • the high pressure (or HP) compressor 112 and the high pressure turbine 114 are connected by a high pressure shaft 122 and together form, with the combustion chamber, a high pressure body.
  • the blower 110 which is driven by the BP shaft 121, compresses the ingested air. This air is divided downstream of the fan 110 between a secondary air flow which is directed directly to a secondary nozzle (not shown) through which it is ejected to participate in the thrust provided by the turbomachine 100, and a so-called primary flow which enters the gas generator, consisting of the low pressure body and the high pressure body, then which is ejected into the primary nozzle 116.
  • the QCMD fuel flow setpoint is determined as a function of a difference between the speed of the turbomachine and a setpoint speed which depends on a position of a control lever that can be manipulated by the pilot.
  • a fuel regulation loop is implemented by a control device, generally integrated into the computer of the full authority regulation device, also known as “FADEC” (acronym of the English expression “Full Authority Digital Engine Control ”), fitted to the turbomachine.
  • the fuel regulation loop also aims to ensure that the flow of fuel injected into the combustion chamber, in the acceleration or deceleration phase (ie transient phase), does not exceed at least a given threshold value. , called “operability stop”, beyond which an engine malfunction may be encountered.
  • said fuel regulation loop makes it possible to manage the controllability as well as the operability of the turbomachine 100.
  • protective threshold values corresponding respectively to an acceleration stop and a deceleration stop are implemented. These operability stops are determined from limits relating to a C / P ratio of the fuel flow C injected into the combustion chamber over the static pressure P measured at the inlet of the combustion chamber. These limits of the C / P ratio are set, in a manner known per se, to protect themselves from pumping during acceleration and from switching off the engine during deceleration. In other words, these limits correspond to the design constraints of the turbomachine 100 which must be observed in order to ensure the operability of the engine.
  • the acceleration or deceleration time of a motor depends directly on the margin available with respect to the operability stops. For example, when the pilot commands an acceleration of the engine speed, it may happen that the current speed does not manage to follow the acceleration trajectory thus commanded, because the latter would impose an overrun of the acceleration stop, thus leading to pumping. Also, in this case, the current speed increases slowly, with a delay, in order to preserve the turbomachine.
  • turbomachine 100 In order to improve the response time of a turbomachine during a transient phase, while limiting the impact of the design constraints linked to the operability stops, it has in particular been proposed to hybridize the turbomachine 100 by equipping it with an electric machine.
  • an electric machine is configured to inject and / or take a torque on one of the rotation shafts respectively associated with the low pressure and high pressure bodies.
  • the object of the present invention is to remedy all or part of the drawbacks of the prior art, in particular those set out above, by proposing a solution which makes it possible to effectively regulate a torque generated by at least one electric machine. equipping a hybridized turbomachine, so as to obtain an excellent response time of the turbomachine, an improvement in the operability of the latter as well as a limitation of the electrical consumption of said at least one electrical machine.
  • the invention relates to a method of controlling a turbomachine comprising a gas generator comprising a combustion chamber, a low pressure rotation shaft and a high rotation shaft pressure, the turbomachine comprising at least one electric machine forming a torque injection / sampling device on one of said rotation shafts.
  • said method comprises a step of implementing a fuel regulation loop in order to determine a fuel flow setpoint in the combustion chamber, and comprising:
  • Said method also comprises a step of implementing a torque regulation loop in order to determine a torque setpoint for said at least one electric machine, and comprising a determination of a torque correction magnitude as a function of said deviation of flow rate, said torque setpoint being determined as a function of said torque correction quantity.
  • the torque regulation loop makes it possible to act in concert with the fuel flow regulation loop when the latter is limited in its regulation, due, for example, to potential phenomena pumping or extinguishing.
  • the torque regulation loop therefore makes it possible to release the available margin with respect to the design constraints of the turbomachine. The operability of the turbomachine is thus improved.
  • the torque regulation loop advantageously makes it possible to set aside the pumping and extinction limits of the turbomachine to allow better regulation of the fuel setpoint .
  • the torque control loop does not replace the fuel flow control loop but comes to its support when operating limits are reached, that is to say when one or more operability stop are reached. Regulating the speed is thus not fundamentally upset, which ensures reliable regulation, and therefore ultimately a much better response time of the turbomachine in comparison with the solutions of the prior art.
  • said control method differs remarkably from the prior art in that the torque correction magnitude is determined as a function of the flow rate difference. Indeed, such arrangements are particularly advantageous because they make it possible to take into account the physical reality of the turbomachine, in particular its operation, and this independently of the speed (transient or stabilized).
  • thermodynamic aspects involved in the variation of the fuel flow rate are taken into account in determining the quantity.
  • control method may further include one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination.
  • the torque torque correction magnitude is determined equal to: expression in which:
  • the efficiency h of the gas generator is expressed as follows: expression in which:
  • - g corresponds to a ratio between an isobaric heat capacity and an isochoric heat capacity
  • the torque correction magnitude is determined according to the following expression:
  • FC _BEB_ X F BV expression in which:
  • said at least one operability stop corresponds to any one of the following parameters:
  • the invention relates to a control system for a turbomachine comprising a gas generator comprising a combustion chamber, a low pressure rotation shaft and a high pressure rotation shaft, the turbomachine comprising at least one electric machine forming a torque injection / sampling device on one of said rotation shafts.
  • said control system comprises a fuel regulation loop for determining a fuel flow setpoint in the combustion chamber, said fuel regulation loop comprising:
  • a turbomachine monitoring module configured to detect the reaching of at least one operability stop of said turbomachine
  • a determination module configured to determine a corrected fuel flow setpoint if said at least one operability stop is reached, said corrected fuel flow setpoint exhibiting a deviation, called “flow deviation”, from the current fuel flow setpoint.
  • Said control system also comprises a torque regulation loop for determining a torque setpoint for said at least one electric machine, said torque regulation loop comprising:
  • a first determination module configured to determine a torque correction quantity as a function of said flow rate difference
  • a second determination module configured to determine said torque setpoint as a function of said torque correction quantity.
  • the invention relates to a turbomachine comprising a gas generator comprising a combustion chamber, a low pressure rotation shaft and a high pressure rotation shaft, the turbomachine comprising at least one electrical machine forming a torque injection / sampling device on at least one of said rotation shafts as well as a control system according to the invention.
  • the invention relates to an aircraft comprising a turbomachine according to the invention.
  • FIG. 1 schematically represents a turbomachine comprising a gas generator according to the prior art
  • FIG. 2 schematically represents, in its environment, an embodiment of a turbomachine according to the invention
  • FIG. 3 represents an example of the hardware architecture of a control system according to the invention belonging to the turbomachine of FIG. 2;
  • FIG. 4 schematically represents an example of the operation of two regulation loops according to the invention, a fuel flow regulation loop B1 and a torque regulation loop B2, said loops B1, B2 belonging to the fuel flow control system.
  • FIG. 4 schematically represents an example of the operation of two regulation loops according to the invention, a fuel flow regulation loop B1 and a torque regulation loop B2, said loops B1, B2 belonging to the fuel flow control system.
  • FIG. 5 represents, in the form of a flowchart, the main steps of a control method according to the invention.
  • the present invention belongs to the field of regulation (i.e. control) of the operation of a turbomachine comprising a gas generator.
  • a turbomachine of the double-flow and double-body turbojet type for an aircraft such as for example a civil airplane capable of transporting passengers
  • a gas generator for example, it is possible to consider a turbine engine, a turbofan, etc.
  • the invention also remains applicable for any type of aircraft (airplane, helicopter, etc.), but, more broadly, for any type of industrial machine equipped with a turbomachine according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows, in its environment, an embodiment of a turbomachine T according to the invention.
  • the turbomachine T admits a general configuration at least in accordance with the state of the art. By way of non-limiting example, such a general configuration has been described above with reference to FIG. 1.
  • the turbomachine T comprises, from upstream to downstream in the direction of the gas flow, a fan 10, a low pressure compressor 11, a high pressure compressor 12, a combustion chamber 13 which receives a setpoint QCMD fuel flow rate, a high pressure turbine 14, a low pressure turbine 15 and a primary exhaust nozzle 16.
  • the low pressure compressor (or LP) 11 and the low pressure turbine 15 are connected by a low pressure shaft 21 and together form a low pressure body.
  • the high compressor pressure (or HP) 12 and the high pressure turbine 14 are connected by a high pressure shaft 22 and together form, with the combustion chamber, a high pressure body.
  • This air is divided downstream of the fan 10 between a secondary air flow which is directed directly towards a secondary nozzle (not shown) through which it is ejected to participate in the thrust supplied by the turbomachine T, and a so-called primary flow which enters the gas generator, consisting of the low pressure body and the high pressure body, then which is ejected into the primary nozzle 16.
  • the operation of the turbomachine T is controlled by a full authority regulation device, called "FADEC" 20.
  • FADEC full authority regulation device
  • the pilot of the aircraft modifies the position a control lever, which has the effect of modifying the QCMD fuel flow setpoint in the combustion chamber 13.
  • the turbomachine T according to the invention also comprises at least one electric machine ME.
  • said at least one electric machine ME forms a device for injecting / removing torque from one of said rotation shafts.
  • the torque generated by the electric machine ME is generated by the latter on receipt of a torque setpoint TRQCMD, as detailed below.
  • the turbomachine T comprises a single electric machine ME and that the rotation shaft on which is injected / taken a torque thanks to the electric machine ME is the high pressure shaft 22.
  • the rotation shaft on which this single electric machine ME acts is the low pressure shaft 21.
  • the turbomachine T comprises a plurality of electric machines T capable of injecting / withdrawing torque from just one of said shafts or even from separate shafts.
  • the electric machine ME is configured, according to a first operating mode, to generate a torque capable of driving the high pressure shaft 22.
  • a first operating mode corresponds to an "operating mode motor ".
  • the electrical machine ME is also configured, according to a second operating mode, to generate a torque capable of taking mechanical energy from the high pressure shaft 22, this drawn energy being able, for example, to be used for power supply purposes.
  • at least one electrical equipment item for the turbomachine T such as, for example, the full authority control device FADEC.
  • such a second operating mode corresponds to a “generator operating mode”.
  • Those skilled in the art can refer to document WO2016 / 020618 as regards the production and use of such an electric machine ME for a turbomachine, these aspects therefore not being detailed further here. .
  • the turbomachine T also comprises a control system SYS_C comprising a control loop for the fuel setpoint QCMD, called “first loop B1”, as well as a loop for regulating the torque setpoint TRQCMD, called “second B2 loop”. Said first loop B1 and second loop B2 are implemented, according to the invention, according to a control method explained later.
  • said SYS_C control system is integrated in the FADEC 20, more particularly in the computer of the latter. No limitation is however attached to the location of said control system SYS_C within the turbomachine T since the latter is able to implement the control of said turbomachine T via said two regulation loops B1 and B2.
  • control loops B1 and B2 are integrated within a single entity which forms a control device with which said control system SYS_C merges.
  • first loop B1 and the second loop B2 are integrated respectively within a first control device and a second control device, these devices being themselves integrated into the SYS_C control system.
  • FIG. 3 schematically represents an example of the hardware architecture of the SYS_C control system according to the invention.
  • the SYS_C control system has the hardware architecture of a computer.
  • said SYS_C control system comprises, in particular, a processor 1, a random access memory 2, a read only memory 3 and a non-volatile memory 4. It also has communication means 5.
  • the communication means 5 in particular allow the SYS_C control system to send the torque setpoint TRQCMD to the electric machine ME, the latter therefore being equipped with communication means configured to receive said torque setpoint TRQCMD.
  • the communication means 5 also allow the SYS_C control system to receive measurements of physical quantities acquired by acquisition means fitted to the turbomachine T.
  • the communication means 5 include for example a computer data bus capable of transmitting said instructions. as well as said measurements of physical quantities.
  • the communication means 5 comprise a communication interface, wired or wireless, capable of implement any suitable protocol known to those skilled in the art (Ethernet, Wifi,
  • Said measurements of physical quantities correspond, for example, to measurements of pressure, of shaft rotation speed, of aircraft speed.
  • the acquisition means configured to acquire said measurements comprise in known manner an acquisition chain comprising a sensor dedicated to the measurement of each of said magnitudes.
  • the configuration of such acquisition means is well known to those skilled in the art and is therefore not detailed further here.
  • a person skilled in the art will also know how to determine which physical quantities need to be measured so that the control method according to the invention can be executed, with regard to the modes of implementation described below for the control method. according to the invention.
  • the ROM 3 of the SYS_C control system constitutes a recording medium according to the invention, readable by the processor and on which is recorded a computer program PROG according to the invention, comprising instructions for the execution of the steps of the control method according to the invention.
  • the program PROG defines functional modules of the first control loop B1 and of the second control loop B2, which are based on or control the hardware elements 2 to 5 of said control system SYS_C mentioned above.
  • the first loop B1 comprises in particular:
  • a MOD_Bl_SUR monitoring module of the turbomachine T configured to detect the reaching of at least one operability stop of said turbomachine T
  • a MOD_Bl_DET determination module configured to determine a corrected fuel flow setpoint QCMD_CORREC if said at least one operability stop is reached, said corrected fuel flow setpoint QCMD_CORREC exhibiting a deviation, called “flow deviation” EC_DEB, relative to the current fuel flow setpoint.
  • current setpoint refers here to the QCMD fuel flow setpoint in force before a correction is determined due to the reaching of said at least one operability stop.
  • the second B2 loop for its part, comprises:
  • a first determination module MOD_B2_DETl configured to determine a torque correction quantity ATRQ as a function of said flow rate difference EC_DEB
  • a second MOD_B2_DET2 determination module configured to determine said torque setpoint TRQCMD as a function of said torque correction quantity ATRQ.
  • an operability stop corresponding to said acceleration stop only constitutes a variant implementation of the invention.
  • Other choices are possible, such as for example: a C / P type deceleration stop, a stop relative to a mechanical speed NI, a stop relative to a mechanical speed N2, a stop relative to an exhaust gas temperature at the inlet of the low pressure turbine 15 of the turbomachine (temperature known as “EGT”, acronym for “Exhaust Gas Temperature” in the English literature), etc .;
  • FIG. 4 schematically represents an example of the operation of the loops B1 and B2.
  • the MOD_Bl_SUR monitoring module admits as input the fuel setpoint which corresponds to the current fuel flow setpoint QCMD if said acceleration stop C / P is not reached or the fuel flow setpoint QCMD_CORREC if said C / P acceleration stop is reached.
  • the MOD_Bl_SUR monitoring module also admits appropriate pressure measurements as input in order to be able to determine whether said acceleration stop C / P has been reached or not, including in particular the pressure P at the output of the high-pressure compressor 12.
  • the MOD_Bl_SUR monitoring module also admits as input an indicator corresponding to the speed N of rotation of the rotation shaft on which torque is injected / taken off by the electric machine ME.
  • this indicator corresponds to the NHP speed of rotation of the high pressure shaft 22.
  • the speed indicator admitted by the monitoring module M0D_B1_SUR is used by the latter to determine if there is a transient intent.
  • the determination module MOD_Bl_DET for its part admits as input a signal (not shown in the figures) coming from the monitoring module MOD_Bl_SUR when the acceleration stop C / P is reached.
  • the determination module MOD_Bl_DET also admits as input appropriate pressure and temperature measurements in order to be able to determine the corrected setpoint QCMD_CORREC.
  • the pressure and temperature measurements admitted as input by the determination module MOD_Bl_DET include a PS3 pressure measurement corresponding to the static pressure of the high-pressure compressor 12, a temperature measurement T25 corresponding to the total inlet temperature of the high-pressure compressor 12 as well as a temperature measurement Tstd corresponding to the standard temperature at sea level (i.e. equal to 288.15 K (Kelvin ) or 15 ° C (Celsius)). Thanks to these measurements, the determination module MOD_Bl_DET determines the corrected setpoint QCMD_CORREC in a manner known per se, according to the following expression:
  • the various measurements PS3, T25 and Tstd can all be admitted to the input of the monitoring module MOD_Bl_SUR and then be transmitted to the determination module MOD_Bl_DET.
  • a fuel flow correction command can then be generated by the FADEC on the basis of said corrected setpoint QCMD_CORREC which is redirected to the input of the MOD_Bl_SUR monitoring module in order to close the first loop Bl.
  • the first determination module MOD_B2_DETl admits as input the EC_DEB flow deviation determined by the MOD_Bl_DET determination module (the determination of the EC_DEB flow deviation is carried out conventionally by subtraction between the corrected setpoint QCMD_CORREC and the setpoint current QCMD).
  • the first determination module MOD_B2_DET1 also admits as an input the speed indicator supplied as an input to the monitoring module MOD_Bl_SUR, namely the NHP speed in the present embodiment.
  • the first determination module MOD_B2_DETl can receive as input other measurements and / or indicators so as to be able to execute different modes of implementation of the control method according to the invention, these modes being detailed later.
  • those skilled in the art know how to determine which measurements and / or which indicators the first determination module MOD_B2_DET1 can receive as input in order to allow the execution of said modes of implementation.
  • MOD_B2_DET1 determines the torque correction quantity ATRQ which is transmitted to the second determination module MOD_B2_DET2. Therefore, said second determination module MOD_B2_DET2 determines the torque setpoint TRQCMD in a manner known per se as a function of the torque correction quantity ATRQ.
  • a torque command can then be generated by the FADEC on the basis of said torque setpoint TRQCMD.
  • This torque setpoint TRQCMD is then redirected in order to close loop B2.
  • the instruction TRQCMD is redirected to the input of the first determination module MOD_B2_DET1 which can then itself transmit it to the second determination module MOD_B2_DET2.
  • the setpoint TRQCMD is redirected to the input of the second determination module MOD_B2_DET2.
  • FIG. 5 represents, in the form of a flowchart, the main steps of the control method according to the invention, as implemented by the control system SYS_C.
  • the method of controlling first of all a step F10 of implementing the first loop Bl As illustrated by FIG. 5, the method of controlling first of all a step F10 of implementing the first loop Bl.
  • This step F10 firstly comprises a sub-step F10 1 for monitoring the turbomachine T.
  • This sub-step F10_1 for monitoring is implemented by the monitoring module MOD_Bl_SUR of the first loop Bl.
  • the control method comprises a sub-step F10 2 for determining the corrected setpoint QCMD_CORREC , the difference from the current flow setpoint QCDM is represented by said flow rate difference EC_DEB.
  • This sub-step F10_2 of determination is implemented by the determination module MOD_Bl_DET of the first loop Bl.
  • said sub-step F10_2 is executed following the transmission of a signal from the monitoring module MOD_Bl_SUR to the determination module MOD_Bl_DET, this signal conveying, in a manner known per se , information representative of the fact that said acceleration stop C / P has been reached.
  • the determination module MOD_Bl_DET also determines the flow deviation EC_DEB (substep F10_3) which is transmitted (substep F10_4) to the first determination module MOD_B2_DETl of the second loop B2.
  • Said control method also comprises a step F20 for implementing the second loop B2.
  • This step F20 follows the implementation of the step F10 associated with the first loop B1.
  • the implementation of the second loop B2 is based on the first loop B1, as is apparent. already clearly of the elements mentioned with reference to Figure 4.
  • This step F20 firstly comprises a sub-step F20_1 for determining the torque correction quantity ATRQ as a function of the flow rate difference EC_DEB.
  • This step F20_1 is implemented by the first determination module MOD_B2_DET1 of the second loop B2.
  • the torque correction quantity ATRQ is determined as a function of the flow rate difference EC_DEB is particularly advantageous because this makes it possible to take into account the physical reality of the turbomachine T, in particular its operation, and this regardless of the regime (transient or stabilized).
  • the term “physical reality” refers here to the fact that the operation of the electric machine ME is linked to the actual variation in fuel flow. In other words, the thermodynamic aspects involved in the variation of the fuel flow rate are taken into account in determining the quantity ATRQ.
  • the torque correction quantity ATRQ is determined according to the following expression: expression in which:
  • - FHV corresponds to the calorific value of the fuel (expressed in J. kg 1 ), - C_1 is a constant value,
  • the first determination module MOD_B2_DETl admits as input the measurements / indicators EC_DEB, FHV, h, C_l, NHP in order to calculate the quantity ATRQ.
  • Ah_CORE_EXIT corresponds to the enthalpy available to generate work at the outlet of the gas generator (expressed in J. kg 1 ),
  • V - V 0 corresponds to flight speed
  • - PW_OFF_TAKE corresponds to the power extracted in the form of air sampling and / or mechanical sampling on the high pressure body.
  • the power generated by the gas generator can be linked to the chemical power linked to the use of the fuel according to the following expression: expression in which Wff corresponds to the fuel flow (expressed in kg. s 1 ).
  • the variation in the fuel flow rate AWff can then be linked to the variation in power DR_ME of the electric machine ME according to the following expression: the constant value C_2 being introduced here in order to allow a readjustment of the values of AWff provided by this formula with values obtained according to another method, for example thanks to tests carried out on a test bench or even thanks to numerical simulations .
  • the efficiency h of the gas generator can be expressed in different ways.
  • said efficiency h is expressed in the following form: expression in which:
  • - g corresponds, in a manner known per se, to a ratio between an isobaric heat capacity and an isochoric heat capacity
  • the torque correction quantity ATRQ is determined according to the following expression: expression in which C'_l is a constant value.
  • said constant C'_l encompasses not only the constant C_1 mentioned above but also the value of the efficiency h here considered to be constant.
  • the control method then comprises a sub-step F20 2 for determining the torque setpoint TRQCMD as a function of said torque correction quantity ATRQ.
  • this determination sub-step F20_2 is implemented by the second determination module MOD_B2_DET2 of the second loop B2.
  • the determination of said torque setpoint TRQCMD is carried out in a manner known per se.
  • account can be taken of a torque setpoint previously observed before the determination of the torque correction quantity ATRQ, so that the setpoint newly determined torque TRQCMD corresponds to the old torque setpoint to which said torque correction quantity ATRQ is applied.

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Abstract

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

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de contrôle d'une turbomachine comportant une machine électrique
Technique antérieure
[0001] La présente invention appartient au domaine général de l'aéronautique, et notamment celui des turbomachines. Elle concerne plus particulièrement un procédé de contrôle d'une turbomachine, ladite turbomachine comprenant un corps basse pression et un corps haute pression respectivement entraînés par un arbre de rotation basse pression et un arbre de rotation haute pression, ainsi qu'au moins une machine électrique formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation.
[0002] En référence à la figure 1. il est représenté de manière schématique une turbomachine 100 comportant un générateur de gaz. Plus particulièrement, l'exemple de la figure 1 illustre une turbomachine 100 du type turboréacteur à double flux et double corps pour aéronef.
[0003] De manière connue, la turbomachine 100 comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 110, un compresseur basse pression 111, un compresseur haute pression 112, une chambre de combustion 113 qui reçoit une consigne de débit de carburant QCMD, une turbine haute pression 114, une turbine basse pression 115 et une tuyère primaire d'échappement 116. Le compresseur basse pression (ou BP) 111 et la turbine basse pression 115 sont reliés par un arbre basse pression 121 et forment ensemble un corps basse pression. Le compresseur haute pression (ou HP) 112 et la turbine haute pression 114 sont reliés par un arbre haute pression 122 et forment ensemble, avec la chambre de combustion, un corps haute pression. La soufflante 110, qui est entraînée par l'arbre BP 121, comprime l'air ingéré. Cet air se divise en aval de la soufflante 110 entre un flux d'air secondaire qui est dirigé directement vers une tuyère secondaire (non représentée) par laquelle il est éjecté pour participer à la poussée fournie par la turbomachine 100, et un flux dit primaire qui pénètre dans le générateur de gaz, constitué par le corps basse pression et le corps haute pression, puis qui est éjecté dans la tuyère primaire 116.
[0004] Conventionnellement, la consigne de débit de carburant QCMD est déterminée en fonction d'une différence entre le régime de la turbomachine et un régime de consigne qui dépend d'une position d'une manette de commande manipulable par le pilote. A cet effet, une boucle de régulation de carburant est mise en oeuvre par un dispositif de contrôle, généralement intégré dans le calculateur du dispositif de régulation pleine autorité, encore dit « FADEC » (acronyme de l'expression anglo-saxonne « Full Authority Digital Engine Control »), équipant la turbomachine. [0005] La boucle de régulation de carburant vise également à s'assurer que le débit de carburant injecté dans la chambre de combustion, en phase d'accélération ou de décélération (i.e. phase transitoire), ne dépasse pas au moins une valeur seuil donnée, dite « butée d'opérabilité », au- delà de laquelle un dysfonctionnement du moteur peut être rencontré. En d'autres termes, ladite boucle de régulation de carburant permet de gérer la pilotabilité ainsi que l'opérabilité de la turbomachine 100.
[0006] Par « opérabilité », on fait référence ici, de manière connue en soi, au fait de garantir le bon fonctionnement de la turbomachine 100. Plus particulièrement, il s'agit de garantir que la ligne de fonctionnement de la turbomachine 100 est maintenue dans une zone de fonctionnement autorisée, de sorte à ne pas franchir les limitations imposées par la physique des composants équipant la turbomachine 100.
[0007] A titre d'exemple nullement limitatif, pour opérer la turbomachine 100 et plus particulièrement son compresseur HP 112, on implémente des valeurs seuil de protection correspondant respectivement à une butée d'accélération et à une butée de décélération. Ces butées d'opérabilité sont déterminées à partir de limites portant sur un ratio C/P du débit carburant C injecté dans la chambre de combustion sur la pression statique P mesurée en entrée de la chambre de combustion. Ces limites du ratio C/P sont fixées, de façon connue en soi, pour se préserver d'un pompage en accélération et d'une extinction du moteur en décélération. Autrement dit, ces limites correspondent à des contraintes de conception de la turbomachine 100 qu'il convient de respecter en vue d'assurer l'opérabilité du moteur.
[0008] Ainsi, le concepteur d'une turbomachine doit donc essayer d'optimiser le placement de la ligne de fonctionnement en la plaçant le plus haut possible, de façon à bénéficier de meilleurs rendements pour ses compresseurs, tout en gardant une distance (i.e. une marge) suffisante vis à vis des butées d'opérabilité, de sorte à permettre des accélérations/décélérations sûres.
[0009] Une autre contrainte à prendre en compte tient au fait que le temps d'accélération ou de décélération d'un moteur dépend directement de la marge dont on dispose vis-à-vis des butées d'opérabilité. Par exemple, lorsque le pilote commande une accélération du régime moteur, il peut arriver que le régime courant n'arrive pas à suivre la trajectoire d'accélération ainsi commandée, car cette dernière imposerait un dépassement de la butée d'accélération, conduisant ainsi à un pompage. Aussi, dans ce cas, le régime courant augmente de manière lente, avec un retard, afin de préserver la turbomachine.
[0010] Afin d'améliorer le temps de réponse d'une turbomachine lors d'une phase transitoire, tout en limitant l'impact des contraintes de conception liées aux butées d'opérabilité, il a notamment été proposé d'hybrider la turbomachine 100 en l'équipant d'une machine électrique. Une telle machine électrique est configurée pour injecter et/ou prélever un couple sur un des arbres de rotation respectivement associés aux corps basse pression et haute pression.
[0011] Le document W02016/020618 décrit une mise en oeuvre dans laquelle une telle machine électrique est utilisée. Cela étant, cette mise en oeuvre reste peu précise quant à la manière dont est pilotée la machine électrique. En particulier, il n'est pas proposé de stratégie explicite et reproductible de pilotage de la machine électrique pour optimiser le fonctionnement et l'opérabilité de la turbomachine.
Exposé de l'invention
[0012] La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant, en proposant une solution qui permette de réguler de manière efficace un couple généré par au moins une machine électrique équipant une turbomachine hybridée, de sorte à obtenir un excellent temps de réponse de la turbomachine, une amélioration de l'opérabilité de celle-ci ainsi qu'une limitation de la consommation électrique de ladite au moins une machine électrique.
[0013] A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de contrôle d'une turbomachine comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion, un arbre de rotation basse pression ainsi qu'un arbre de rotation haute pression, la turbomachine comprenant au moins une machine électrique formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation. En outre, ledit procédé comporte une étape de mise en oeuvre d'une boucle de régulation de carburant afin de déterminer une consigne de débit de carburant dans la chambre de combustion, et comportant :
- une surveillance de la turbomachine destinée à détecter l'atteinte d'au moins une butée d'opérabilité de ladite turbomachine,
- si ladite au moins une butée d'opérabilité est atteinte, une détermination d'une consigne corrigée de débit de carburant, ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart, dit « écart de débit », par rapport à la consigne courante de débit de carburant.
Ledit procédé comporte également une étape de mise en oeuvre d'une boucle de régulation de couple afin de déterminer une consigne de couple pour ladite au moins une machine électrique, et comportant une détermination d'une grandeur de correction de couple en fonction dudit écart de débit, ladite consigne de couple étant déterminée en fonction de ladite grandeur de correction de couple.
[0014] Ainsi, selon ledit procédé de contrôle, la boucle de régulation de couple permet d'agir de concert avec la boucle de régulation de débit de carburant quand cette dernière est limitée dans sa régulation, en raison, par exemple, des potentiels phénomènes de pompage ou d'extinction. La boucle de régulation de couple permet donc de relâcher la marge disponible vis-à-vis des contraintes de conception de la turbomachine. L'opérabilité de la turbomachine est ainsi améliorée.
[0015] Par exemple, dans le cas des phénomènes de pompage et d'extinction, la boucle de régulation de couple permet avantageusement d'écarter les limites de pompage et d'extinction de la turbomachine pour permettre une meilleure régulation de la consigne de carburant.
[0016] De manière avantageuse, la boucle de régulation de couple ne se substitue pas à la boucle de régulation du débit de carburant mais vient à son soutien lorsque des limites de fonctionnement sont atteintes, c'est-à-dire lorsque une ou plusieurs butée d'opérabilité sont atteintes. La régulation du régime n'est ainsi pas bouleversée dans ses fondamentaux, ce qui assure une régulation fiable, et donc in fine un bien meilleur temps de réponse de la turbomachine en comparaison avec les solutions de l'art antérieur.
[0017] Par ailleurs, ledit procédé de contrôle se distingue de manière remarquable de l'art antérieur en ce que la grandeur de correction de couple est déterminée en fonction de l'écart de débit. En effet, de telles dispositions sont particulièrement avantageuses car elles permettent de tenir compte de la réalité physique de la turbomachine, en particulier de son fonctionnement, et ceci indépendamment du régime (transitoire ou bien stabilisé).
[0018] Par « réalité physique », on fait référence ici au fait que le fonctionnement de ladite au moins une machine électrique est relié à la variation effective de débit de carburant.
Autrement dit, les aspects thermodynamiques intervenant dans la variation du débit de carburant sont pris en compte dans la détermination de la grandeur.
[0019] Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé de contrôle peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
[0020] Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, la grandeur de correction de couple de couple est déterminée égale à :
Figure imgf000006_0001
expression dans laquelle :
- EC_DEB correspond à l'écart de débit,
- FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant,
- N correspond au régime de rotation de l'arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par ladite au moins une machine électrique (ME),
- C_1 est une valeur constante,
- h correspond au rendement thermique du générateur de gaz.. [0021] Une telle expression, établie par les inventeurs, est particulièrement remarquable en ce qu'elle permet de déterminer de manière simple, rapide et peu dispendieuse, la grandeur de correction de couple. En outre, le caractère générique de cette expression permet d'envisager une application de l'invention à tout type de machine industrielle équipée d'une turbomachine selon l'invention.
[0022] Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le rendement h du générateur de gaz s’exprime sous la forme suivante :
Figure imgf000007_0001
expression dans laquelle :
- M correspond à la vitesse Mach,
- g correspond à un rapport entre une capacité thermique isobare et une capacité thermique isochore,
- OPR correspond à un taux de pression globale du générateur de gaz.
[0023] Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, la grandeur de correction de couple est déterminée suivant l'expression suivante :
FC _BEB_ X F BV expression dans laquelle :
- EC_DEB correspond à l'écart de débit,
- FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant,
- N correspond au régime de rotation de l'arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par ladite au moins une machine électrique (ME),
- C'_l est une valeur constante.
[0024] Une telle expression de la grandeur de correction de couple est particulièrement simple à calculer dans la mesure où le rendement est considéré comme constant, ce qui peut être justifié par le fait que les fluctuations dudit rendement h sont mineures hors ralenti.
[0025] Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, ladite au moins une butée d'opérabilité correspond à l'un quelconque des paramètres suivants :
- une butée C/P,
- une butée relative à un régime mécanique NI,
- une butée relative à un régime mécanique N2,
- une butée relative à une température de gaz d'échappement en entrée d'une turbine basse pression de la turbomachine. [0026] Selon un autre aspect, l'invention concerne un système de contrôle d'une turbomachine comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion, un arbre de rotation basse pression ainsi qu'un arbre de rotation haute pression, la turbomachine comprenant au moins une machine électrique formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation. En outre, ledit système de contrôle comporte une boucle de régulation de carburant pour déterminer une consigne de débit de carburant dans la chambre de combustion, ladite boucle de régulation de carburant comportant :
- un module de surveillance de la turbomachine, configuré pour détecter l'atteinte d'au moins une butée d'opérabilité de ladite turbomachine,
- un module de détermination, configuré pour déterminer une consigne corrigée de débit de carburant si ladite au moins une butée d'opérabilité est atteinte, ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart, dit « écart de débit », par rapport à la consigne courante de débit de carburant.
Ledit système de contrôle comporte également une boucle de régulation de couple pour déterminer une consigne de couple pour ladite au moins une machine électrique, ladite boucle de régulation de couple comportant :
- un premier module de détermination, configuré pour déterminer une grandeur de correction de couple en fonction dudit écart de débit,
- un deuxième module de détermination, configuré pour déterminer ladite consigne de couple en fonction de ladite grandeur de correction de couple.
[0027] Selon un autre aspect, l'invention concerne une turbomachine comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion, un arbre de rotation basse pression ainsi qu'un arbre de rotation haute pression, la turbomachine comprenant au moins une machine électrique formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur au moins un desdits arbres de rotation ainsi qu'un système de contrôle selon l'invention.
[0028] Selon un autre aspect, l'invention concerne un aéronef comportant une turbomachine selon l'invention.
Brève description des dessins
[0029] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
[Fig. 1] la figure 1 représente schématiquement une turbomachine comportant un générateur de gaz conformément à l'art antérieur ; [Fig. 2] la figure 2 représente schématiquement, dans son environnement, un mode de réalisation d'une turbomachine selon l'invention ;
[Fig. 3] la figure 3 représente un exemple d'architecture matérielle d'un système de contrôle selon l'invention appartenant à la turbomachine de la figure 2 ;
[Fig. 4] la figure 4 représente schématiquement un exemple de fonctionnement de deux boucles de régulation selon l'invention, une boucle B1 de régulation de débit de carburant et une boucle B2 de régulation de couple, lesdites boucles Bl, B2 appartenant au système de contrôle de la figure 3 ;
[Fig. 5] la figure 5 représente, sous forme d'ordinogramme, les principales étapes d'un procédé de contrôle selon l'invention.
Description des modes de réalisation
[0030] La présente invention appartient au domaine de la régulation (i.e. du contrôle) du fonctionnement d'une turbomachine comportant un générateur de gaz.
[0031] Pour la suite de la description, on considère de manière nullement limitative une turbomachine du type turboréacteur à double flux et double corps pour aéronef, comme par exemple un avion civil apte à transporter des passagers. Il convient toutefois de noter que l'invention reste applicable quel que soit le type de turbomachine considéré, dès lors que cette dernière comporte un générateur de gaz. Par exemple, il est possible d'envisager un turbomoteur, un turbofan, etc.
[0032] En outre, l'invention reste également applicable pour tout type d'aéronef (avion, hélicoptère, etc.), mais, plus largement, pour tout type de machine industrielle équipée d'une turbomachine selon l'invention.
[0033] La figure 2 représente schématiquement, dans son environnement, un mode de réalisation d'une turbomachine T selon l'invention.
[0034] La turbomachine T admet une configuration générale au moins conforme à l'état de l'art. A titre d'exemple nullement limitatif, une telle configuration générale a été décrite ci-avant en référence à la figure 1.
[0035] Ainsi, la turbomachine T comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 10, un compresseur basse pression 11, un compresseur haute pression 12, une chambre de combustion 13 qui reçoit une consigne de débit de carburant QCMD, une turbine haute pression 14, une turbine basse pression 15 et une tuyère primaire d'échappement 16. Le compresseur basse pression (ou BP) 11 et la turbine basse pression 15 sont reliés par un arbre basse pression 21 et forment ensemble un corps basse pression. Le compresseur haute pression (ou HP) 12 et la turbine haute pression 14 sont reliés par un arbre haute pression 22 et forment ensemble, avec la chambre de combustion, un corps haute pression. La soufflante 10, qui est entraînée par l'arbre BP 21, comprime l'air ingéré. Cet air se divise en aval de la soufflante 10 entre un flux d'air secondaire qui est dirigé directement vers une tuyère secondaire (non représentée) par laquelle il est éjecté pour participer à la poussée fournie par la turbomachine T, et un flux dit primaire qui pénètre dans le générateur de gaz, constitué par le corps basse pression et le corps haute pression, puis qui est éjecté dans la tuyère primaire 16.
[0036] De manière connue, le fonctionnement de la turbomachine T est commandé par un dispositif de régulation pleine autorité, dit « FADEC » 20. En outre, pour modifier le régime de la turbomachine T, le pilote de l'aéronef modifie la position d'une manette de commande, ce qui a pour effet de modifier la consigne de débit de carburant QCMD dans la chambre de combustion 13.
[0037] La turbomachine T selon l'invention comporte également au moins une machine électrique ME. De manière conventionnelle, ladite au moins une machine électrique ME forme un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation. Le couple généré par la machine électrique ME est généré par celle-ci sur réception d'une consigne de couple TRQCMD, comme cela est détaillé ultérieurement.
[0038] Pour la suite de la description, et tel qu'illustré par la figure 2, on considère de manière nullement limitative que la turbomachine T comporte une seule machine électrique ME et que l'arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé un couple grâce à la machine électrique ME est l'arbre haute pression 22. Rien n'exclut cependant d'envisager que l'arbre de rotation sur lequel agit cette seule machine électrique ME est l'arbre basse pression 21. Rien n'exclut non plus d'envisager que la turbomachine T comporte une pluralité de machines électriques T aptes à injecter/prélever du couple sur un seuls desdits arbres ou bien encore sur des arbres distincts.
[0039] Ainsi, la machine électrique ME est configurée, selon un premier mode de fonctionnement, pour générer un couple apte à entraîner l'arbre haute pression 22. De manière classique, un tel premier mode de fonctionnement correspond à un « mode de fonctionnement moteur ». La machine électrique ME est par ailleurs configurée, selon un deuxième mode de fonctionnement, pour générer un couple apte à prélever de l'énergie mécanique sur l'arbre haute pression 22, cette énergie prélevée pouvant par exemple être utilisée à des fins d'alimentation d'au moins un équipement électrique de la turbomachine T, comme par exemple le dispositif de régulation pleine autorité FADEC. Là encore, de manière classique, un tel deuxième mode de fonctionnement correspond à un « mode de fonctionnement générateur ». [0040] L'homme du métier peut se référer au document W02016/020618 en ce qui concerne la réalisation et la mise en oeuvre d'une telle machine électrique ME pour une turbomachine, ces aspects n'étant dès lors pas détaillés plus avant ici.
[0041] Conformément à l'invention, la turbomachine T comporte également un système de contrôle SYS_C comportant une boucle de régulation de la consigne de carburant QCMD, dite « première boucle B1 », ainsi qu'une boucle de régulation de la consigne de couple TRQCMD, dite « deuxième boucle B2 ». Lesdites première boucle B1 et deuxième boucle B2 sont mises en oeuvre, selon l'invention, suivant un procédé de contrôle explicité ultérieurement.
[0042] Dans le présent mode de réalisation, ledit système de contrôle SYS_C est intégré dans le FADEC 20, plus particulièrement dans le calculateur de ce dernier. Aucune limitation n'est toutefois attachée à la localisation dudit système de contrôle SYS_C au sein de la turbomachine T dès lors que ce dernier est en mesure de mettre en oeuvre le contrôle de ladite turbomachine T via lesdites deux boucles de régulation B1 et B2.
[0043] Pour la suite de la description, on considère de manière nullement limitative que les boucles de régulation B1 et B2 sont intégrées au sein d'une même entité qui forme un dispositif de contrôle avec lequel se confond ledit système de contrôle SYS_C. Rien n'exclut cependant d'envisager, suivant d'autres exemples non détaillés ici, que la première boucle B1 et la deuxième boucle B2 sont intégrées au sein respectivement d'un premier dispositif de contrôle et d'un deuxième dispositif de contrôle, ces dispositifs étant eux-mêmes intégrés au système de contrôle SYS_C.
[0044] La figure 3 représente schématiquement un exemple d'architecture matérielle du système de contrôle SYS_C selon l'invention.
[0045] Tel qu'illustré par la figure 3, le système de contrôle SYS_C selon l'invention dispose de l'architecture matérielle d'un ordinateur. Ainsi, ledit système de contrôle SYS_C comporte, notamment, un processeur 1, une mémoire vive 2, une mémoire morte 3 et une mémoire non volatile 4. Il dispose en outre de moyens de communication 5.
[0046] Les moyens de communication 5 permettent notamment au système de contrôle SYS_C d'émettre la consigne de couple TRQCMD vers la machine électrique ME, cette dernière étant donc équipée de moyens de communications configurés pour recevoir ladite consigne de couple TRQCMD. Les moyens de communication 5 permettent également au système de contrôle SYS_C de recevoir des mesures de grandeurs physiques acquises par des moyens d'acquisition équipant la turbomachine T. Les moyens de communication 5 comportent par exemple un bus de données informatiques apte à la transmission desdites consignes ainsi que desdites mesures de grandeurs physiques. Selon un autre exemple, les moyens de communication 5 comportent une interface de communication, filaire ou non filaire, apte à mettre en œuvre tout protocole adapté connu de l'homme du métier (Ethernet, Wifi,
Bluetooth, 3G, 4G, 5G, etc.).
[0047] Lesdites mesures de grandeurs physiques correspondent par exemple à des mesures de pression, de régime de rotation d'arbres, de vitesse d'aéronef. Par ailleurs, les moyens d'acquisition configurés pour acquérir lesdites mesures comportent de manière connue une chaîne d'acquisition comportant un capteur dédié à la mesure de chacune desdites grandeurs. D'une manière générale, la configuration de tels moyens d'acquisition est bien connue de l'homme du métier et n'est par conséquent détaillée plus avant ici. En outre, l'homme du métier saura également déterminer quelles grandeurs physiques nécessitent d'être mesurées afin que le procédé de contrôle selon l'invention puisse être exécuté, au regard des modes de mises en œuvre décrits ci-après pour le procédé de contrôle selon l'invention.
[0048] La mémoire morte 3 du système de contrôle SYS_C constitue un support d'enregistrement conforme à l'invention, lisible par le processeur et sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur PROG conforme à l'invention, comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de contrôle selon l'invention. Le programme PROG définit des modules fonctionnels de la première boucle de contrôle B1 et de la deuxième boucle de contrôle B2, qui s'appuient ou commandent les éléments matériels 2 à 5 dudit système de contrôle SYS_C cités précédemment.
[0049] Ainsi, la première boucle B1 comporte notamment :
- un module de surveillance MOD_Bl_SUR de la turbomachine T, configuré pour détecter l'atteinte d'au moins une butée d'opérabilité de ladite turbomachine T,
- un module de détermination MOD_Bl_DET, configuré pour déterminer une consigne corrigée de débit de carburant QCMD_CORREC si ladite au moins une butée d'opérabilité est atteinte, ladite consigne corrigée de débit de carburant QCMD_CORREC présentant un écart, dit « écart de débit » EC_DEB, par rapport à la consigne courante de débit de carburant.
[0050] Par « consigne courante », on fait référence ici à la consigne de débit de carburant QCMD en vigueur avant qu'une correction soit déterminée du fait de l'atteinte de ladite au moins une butée d'opérabilité.
[0051] Il est à noter que les moyens configurés de façon logicielle et/ou matérielle pour mettre en œuvre la première boucle B1 sont bien connus de l'homme du métier, et ne sont par conséquent pas décrits plus en détails ici. A titre d'exemple nullement limitatif, le document FR2977638A1 décrit ces aspects dans le cas d'une régulation du débit de carburant pour éviter un pompage, autrement dit quand la butée d'opérabilité considérée est une butée de type C/P.
[0052] La deuxième boucle B2, quant à elle, comporte :
- un premier module de détermination MOD_B2_DETl, configuré pour déterminer une grandeur de correction de couple ATRQ en fonction dudit écart de débit EC_DEB, - un deuxième module de détermination MOD_B2_DET2, configuré pour déterminer ladite consigne de couple TRQCMD en fonction de ladite grandeur de correction de couple ATRQ.*
[0053] La manière dont la grandeur de correction de couple ATRQ est déterminée par le premier module de détermination MOD_B2_DETl est détaillée ultérieurement au travers de plusieurs modes de mise en oeuvre du procédé de contrôle selon l'invention.
[0054] Pour la suite de la description, et à des fins de simplification de cette dernière, on considère une unique butée d'opérabilité correspondant à la butée d'accélération de type C/P, bien connue de l'homme du métier.
[0055] Il convient cependant de noter que le choix d'une butée d'opérabilité correspondant à ladite butée d'accélération ne constitue qu'une variante d'implémentation de l'invention. D'autres choix sont possibles, comme par exemple : une butée de décélération de type C/P, une butée relative à un régime mécanique NI, une butée relative à un régime mécanique N2, une butée relative à une température de gaz d'échappement en entrée de la turbine basse pression 15 de la turbomachine (température dite « EGT », acronyme de « Exhaust Gas Température » dans la littérature anglo-saxonne), etc.
[0056] Par ailleurs, il est également à noter qu'aucune limitation n'est attachée au nombre de butées pouvant être considéré au sens de l'invention. Ainsi, l'invention s'applique aussi bien lorsqu'une seule butée d'opérabilité est considérée ou bien lorsque plusieurs butées d'opérabilité sont considérées, ces dernières pouvant en outre être, en tout ou partie, de types respectifs distincts. L'homme du métier sait mettre en oeuvre l'invention lorsque plusieurs butées d'opérabilité sont considérées.
[0057] La figure 4 représente schématiquement un exemple de fonctionnement des boucles B1 et B2.
[0058] Tel qu'illustré par la figure 4, le module de surveillance MOD_Bl_SUR admet en entrée la consigne de carburant qui correspond à la consigne de débit de carburant courante QCMD si ladite butée d'accélération C/P n'est pas atteinte ou bien à la consigne de débit de carburant QCMD_CORREC si ladite butée d'accélération C/P est atteinte. Le module de surveillance MOD_Bl_SUR admet également en entrée des mesures de pression appropriées afin d'être en mesure de déterminer si ladite butée d'accélération C/P est atteinte ou non, dont notamment la pression P en sortie du compresseur haute-pression 12.
[0059] De manière conventionnelle, le module de surveillance MOD_Bl_SUR admet également en entrée un indicateur correspondant au régime N de rotation de l'arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par la machine électrique ME. Dans le présent mode de réalisation, cet indicateur correspond au régime NHP de rotation de l'arbre haute pression 22.
Il est notamment connu que l'indicateur de régime admis par le module de surveillance M0D_B1_SUR est utilisé par ce dernier afin de déterminer s'il existe une intention de transitoire.
[0060] Le module de détermination MOD_Bl_DET admet quant à lui en entrée un signal (non représenté sur les figures) en provenance du module de surveillance MOD_Bl_SUR lorsque la butée d'accélération C/P est atteinte. Le module de détermination MOD_Bl_DET admet également en entrée des mesures de pression et de température appropriées afin d'être en mesure de déterminer la consigne corrigée QCMD_CORREC.
[0061] Etant donné que la butée d'opérabilité ici considérée est la butée d'accélération C/P, les mesures de pression et de température admises en entrée par le module de détermination MOD_Bl_DET comprennent une mesure de pression PS3 correspondant à la pression statique du compresseur haute-pression 12, une mesure de température T25 correspondant à la température totale en entrée du compresseur haute-pression 12 ainsi qu'une mesure de température Tstd correspondant la température standard au niveau de la mer (i.e. égale à 288.15 K (Kelvin) soit 15°C (Celsius)). Grâce à ces mesures, le module de détermination MOD_Bl_DET détermine la consigne corrigée QCMD_CORREC de manière connue en soi, suivant l'expression suivante :
Figure imgf000014_0001
[0062] On note qu'en alternative à cet exemple de réalisation, les différentes mesures PS3, T25 et Tstd peuvent toutes être admises en entrée du module de surveillance MOD_Bl_SUR puis être transmises au module de détermination MOD_Bl_DET.
[0063] Par ailleurs, il est envisagé dans cet exemple de réalisation de déterminer la consigne corrigée QCMD_CORREC via le calcul de l'expression donnée ci-avant. Rien n'exclut cependant d'envisager une détermination de cette consigne corrigée QCMD_CORREC via la consultation d'une tabulation, c'est-à-dire d'un tableau comportant un ensemble de valeurs prises par une fonction dont la formulation analytique correspond à ladite expression donnée ci-avant.
[0064] De manière connue en soi, une commande de correction de débit de carburant peut ensuite être générée par le FADEC sur la base de ladite consigne corrigée QCMD_CORREC qui est redirigée vers l'entrée du module de surveillance MOD_Bl_SUR afin de fermer la première boucle Bl.
[0065] Par ailleurs, tel qu'illustré par la figure 4, le premier module de détermination MOD_B2_DETl admet en entrée l'écart de débit EC_DEB déterminé par le module de détermination MOD_Bl_DET (la détermination de l'écart de débit EC_DEB s'effectue classiquement par soustraction entre la consigne corrigée QCMD_CORREC et la consigne courante QCMD). Le premier module de détermination MOD_B2_DETl admet également en entrée l'indicateur de régime fourni en entrée du module de surveillance MOD_Bl_SUR, à savoir le régime NHP dans le présent mode de réalisation.
[0066] Dans des exemples plus particuliers de réalisation, le premier module de détermination MOD_B2_DETl peut recevoir en entrée d'autres mesures et/ou indicateurs de sorte à être en mesure d'exécuter différents modes de mise en oeuvre du procédé de contrôle selon l'invention, ces modes étant détaillés ultérieurement. En tout état de cause, l'homme du métier sait déterminer quelles mesures et/ou quels indicateurs le premier module de détermination MOD_B2_DETl peut recevoir en entrée afin de permettre l'exécution desdits modes de mise en oeuvre.
[0067] A partir des entrées qui lui sont fournies, le premier module de détermination
MOD_B2_DETl détermine la grandeur de correction de couple ATRQ qui est transmise au deuxième module de détermination MOD_B2_DET2. Dès lors, ledit deuxième module de détermination MOD_B2_DET2 détermine la consigne de couple TRQCMD de manière connue en soi en fonction de la grandeur de correction de couple ATRQ.
[0068] De manière connue en soi, une commande de couple peut ensuite être générée par le FADEC sur la base de ladite consigne de couple TRQCMD. Cette consigne de couple TRQCMD est ensuite redirigée afin de fermer la boucle B2. Par exemple, et tel qu'illustré par la figure 4, la consigne TRQCMD est redirigée vers l'entrée du premier module de détermination MOD_B2_DETl qui peut ensuite lui-même la transmettre au deuxième module de détermination MOD_B2_DET2. En alternative, la consigne TRQCMD est redirigée vers l'entrée du deuxième module de détermination MOD_B2_DET2.
[0069] La figure 5 représente, sous forme d'ordinogramme, les principales étapes du procédé de contrôle selon l'invention, telles qu'elles sont mises en oeuvre par le système de contrôle SYS_C.
[0070] Tel qu'illustré par la figure 5, le procédé de contrôle tout d'abord une étape F10 de mise en oeuvre de la première boucle Bl.
[0071] Cette étape F10 comporte dans un premier temps une sous-étape F10 1 de surveillance de la turbomachine T. Cette sous-étape F10_l de surveillance est mise en oeuvre par le module de surveillance MOD_Bl_SUR de la première boucle Bl.
[0072] Si la butée d'accélération C/P est atteinte, le procédé de contrôle, et plus particulièrement l'étape F10 de mise en oeuvre de la boucle Bl, comporte une sous-étape F10 2 de détermination de la consigne corrigée QCMD_CORREC, dont l'écart avec la consigne de débit courante QCDM est représenté par ledit écart de débit EC_DEB. Cette sous-étape F10_2 de détermination est mise en œuvre par le module de détermination MOD_Bl_DET de la première boucle Bl.
[0073] Comme mentionné auparavant, en référence à la figure 4, ladite sous-étape F10_2 est exécutée suite à la transmission d'un signal du module de surveillance MOD_Bl_SUR vers le module de détermination MOD_Bl_DET, ce signal véhiculant, de manière connue en soi, une information représentative du fait que ladite butée d'accélération C/P soit atteinte.
[0074] Bien entendu, il y a lieu de noter que si la butée d'accélération C/P n'est pas atteinte, ladite sous-étape F10_2 n'est pas exécutée, de sorte que la consigne courante QCMD n'est pas modifiée.
[0075] Une fois la consigne corrigée QCMD_CORREC déterminée, le module de détermination MOD_Bl_DET détermine également l'écart de débit EC_DEB (sous-étape F10_3) qui est transmis (sous-étape F10_4) vers le premier module de détermination MOD_B2_DETl de la deuxième boucle B2.
[0076] Ledit procédé de contrôle comporte également une étape F20 de mise en œuvre de la deuxième boucle B2. Cette étape F20 fait suite à la mise en œuvre de l'étape F10 associée la première boucle Bl. Autrement dit, il importe de noter que la mise en œuvre de la deuxième boucle B2 s'appuie sur la première boucle Bl, comme cela ressort déjà clairement des éléments mentionnés en référence à la figure 4.
[0077] Cette étape F20 comporte dans un premier temps une sous-étape F20_l de détermination de la grandeur de correction de couple ATRQ en fonction de l'écart de débit EC_DEB. Cette étape F20_l est mise en œuvre par le premier module de détermination MOD_B2_DETl de la deuxième boucle B2.
[0078] Le fait que la grandeur de correction de couple ATRQ soit déterminée en fonction de l'écart de débit EC_DEB est particulièrement avantageux car cela permet de tenir compte de la réalité physique de la turbomachine T, en particulier de son fonctionnement, et ceci indépendamment du régime (transitoire ou bien stabilisé). Par « réalité physique », on fait référence ici au fait que le fonctionnement de la machine électrique ME est relié à la variation effective de débit de carburant. Autrement dit, les aspects thermodynamiques intervenant dans la variation du débit de carburant sont pris en compte dans la détermination de la grandeur ATRQ.
[0079] Dans un mode particulier de mise en œuvre, la grandeur de correction de couple ATRQ est déterminée suivant l'expression suivante :
Figure imgf000016_0001
expression dans laquelle :
- FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant (exprimé en J. kg 1), - C_1 est une valeur constante,
- h correspond au rendement thermique du générateur de gaz.
[0080] On comprend bien entendu que dans ce mode de mise en oeuvre, le premier module de détermination MOD_B2_DETl admet en entrée les mesures/indicateurs EC_DEB, FHV, h, C_l, NHP afin de calculer la grandeur ATRQ.
[0081] Une telle expression, établie par les inventeurs, est particulièrement remarquable en ce qu'elle permet de déterminer de manière simple, rapide et peu coûteuse, la grandeur ATRQ.
[0082] Pour obtenir cette expression, il y a tout d'abord lieu de considérer que la puissance totale PW_CORE disponible à la sortie du générateur de gaz peut être calculée suivant l'expression suivante :
Figure imgf000017_0001
expression dans laquelle :
- W correspond au débit d'air en entrée du corps haute pression (exprimé en kg. s 1),
- Ah_CORE_EXIT correspond à l'enthalpie disponible pour générer du travail à la sortie du générateur de gaz (exprimée en J. kg 1),
- V0 correspond à vitesse de vol,
- PW_OFF_TAKE correspond à la puissance extraite sous forme de prélèvement d'air et/ou de prélèvement mécanique sur le corps haute pression.
[0083] Dès lors, la puissance générée par le générateur de gaz peut être reliée à la puissance chimique liée à l'exploitation du carburant suivant l'expression suivante :
Figure imgf000017_0002
expression dans laquelle Wff correspond au débit de carburant (exprimé en kg. s 1).
[0084] On peut alors relier la variation du débit de carburant AWff à la variation de puissance DR_ME de la machine électrique ME suivant l'expression suivante :
Figure imgf000017_0003
la valeur constante C_2 étant ici introduite afin de permettre un recalage des valeurs de AWff fournies par cette formule avec des valeurs obtenues suivant une autre méthode, par exemple grâce à des essais réalisés sur un banc d'essai ou bien encore grâce à des simulations numériques.
[0085] De cette dernière expression donnant AWff, il est possible d'en déduire l'expression de ATRQ étant donné que la variation de puissance DR_ME de la machine électrique ME est égale au produit de ATRQ par la vitesse de rotation de l'arbre haute pression 22, cette vitesse s'exprimant classiquement en fonction de NHP.
[0086] Il convient de noter que dans les expressions explicitées ci-avant, la variation du débit de carburant AWff correspond précisément à l'écart de débit EC_DEB.
[0087] Le rendement h du générateur de gaz peut être exprimé de différente manière. Par exemple, ledit rendement h s'exprime sous la forme suivante :
Figure imgf000018_0001
expression dans laquelle :
- M0 correspond à la vitesse Mach,
- g correspond, de manière connue en soi, à un rapport entre une capacité thermique isobare et une capacité thermique isochore,
- OPR correspond à un taux de pression globale du générateur de gaz.
[0088] Le choix selon lequel le rendement h s'exprime selon la formule donnée ci-dessus ne constitue qu'une variante d'implémentation de l'invention. D'autres variantes sont envisageables, en considérant par exemple que le paramètre OPR est remplacé par un ratio de température T3/T2 où T3 et T2 correspondent respectivement à la température de sortie du corps haute pression et à la température d'entrée du flux primaire.
[0089] Rien n'exclut non plus de considérer un rendement h constant, du fait notamment que les fluctuations dudit rendement h sont mineures hors ralenti. A cet effet, dans un autre mode particulier de mise en oeuvre, la grandeur de correction de couple ATRQ est déterminée suivant l'expression suivante :
Figure imgf000018_0002
expression dans laquelle C'_l est une valeur constante.
[0090] Ainsi, ladite constante C'_l englobe non seulement la constante C_1 mentionnée auparavant mais également la valeur du rendement h ici considérée comme constante.
[0091] Le procédé de contrôle comporte alors une sous-étape F20 2 de détermination de la consigne de couple TRQCMD en fonction de ladite grandeur de correction de couple ATRQ. cette sous-étape F20_2 de détermination est mise en oeuvre par le deuxième module de détermination MOD_B2_DET2 de la deuxième boucle B2.
[0092] La détermination de ladite consigne de couple TRQCMD s'effectue de manière connue en soi. En particulier, il peut être tenu compte d'une consigne de couple auparavant observée avant la détermination de la grandeur de correction de couple ATRQ, de sorte que la consigne de couple TRQCMD nouvellement déterminée correspond à l'ancienne consigne de couple à laquelle est appliquée ladite grandeur de correction de couple ATRQ.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de contrôle d'une turbomachine (T) comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion (13), un arbre de rotation basse pression (21) ainsi qu'un arbre de rotation haute pression (22), la turbomachine comprenant au moins une machine électrique (ME) formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation, ledit procédé comportant une étape (F10) de mise en oeuvre d'une boucle (Bl) de régulation de carburant afin de déterminer une consigne de débit de carburant (QCMD) dans la chambre de combustion, et comportant :
- une surveillance (F10_l) de la turbomachine destinée à détecter l'atteinte d'au moins une butée d'opérabilité de ladite turbomachine,
- si ladite au moins une butée d'opérabilité est atteinte, une détermination (F10_2) d'une consigne corrigée de débit de carburant (QCMD_CORREC), ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart, dit « écart de débit » (EC_DEB), par rapport à la consigne courante de débit de carburant (QCMD), ledit procédé comportant également une étape (F20) de mise en oeuvre d'une boucle (B2) de régulation de couple afin de déterminer une consigne de couple (TRQCMD) pour ladite au moins une machine électrique, et comportant une détermination (F20_l) d'une grandeur de correction de couple (ATRQ) en fonction dudit écart de débit, ladite consigne de couple étant déterminée (F20_2) en fonction de ladite grandeur de correction de couple.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel la grandeur de correction de couple (ATRQ) est déterminée égale à :
BCJ&BB XPHV X ??
Cj X N expression dans laquelle :
- EC_DEB correspond à l'écart de débit,
- FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant,
- N correspond au régime de rotation de l'arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par ladite au moins une machine électrique (ME),
- C_1 est une valeur constante,
- h correspond au rendement du générateur de gaz.
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 2, dans lequel le rendement h du générateur de gaz s'exprime sous la forme suivante :
Figure imgf000021_0001
expression dans laquelle :
- M correspond à la vitesse Mach,
- g correspond à un rapport entre une capacité thermique isobare et une capacité thermique isochore,
- OPR correspond à un taux de pression globale du générateur de gaz.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 1, dans lequel la grandeur de correction de coupl (ATRQ) est déterminée suivant l'expression suivante :
Figure imgf000021_0002
expression dans laquelle :
- EC_DEB correspond à l'écart de débit,
- FHV correspond au pouvoir calorifique du carburant,
- N correspond au régime de rotation de l'arbre de rotation sur lequel est injecté/prélevé du couple par ladite au moins une machine électrique (ME),
- C'_l est une valeur constante.
[Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite au moins une butée d'opérabilité correspond à l'un quelconque des paramètres suivants :
- une butée C/P,
- une butée relative à un régime mécanique NI,
- une butée relative à un régime mécanique N2,
- une butée relative à une température de gaz d'échappement en entrée d'une turbine basse pression (15) de la turbomachine.
[Revendication 6] Programme d'ordinateur comportant des instructions pour la mise en oeuvre d'un procédé de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 lorsque ledit programme d'ordinateur est exécuté par un ordinateur.
[Revendication 7] Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur selon la revendication 6.
[Revendication 8] Système de contrôle (SYS_C) d'une turbomachine (T) comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion (13), un arbre de rotation basse pression (21) ainsi qu'un arbre de rotation haute pression (22), la turbomachine comprenant au moins une machine électrique (ME) formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur un desdits arbres de rotation, ledit système de contrôle comportant une boucle (Bl) de régulation de carburant pour déterminer une consigne de débit de carburant (QCMD) dans la chambre de combustion, ladite boucle de régulation de carburant comportant :
- un module de surveillance (MOD_Bl_SUR) de la turbomachine, configuré pour détecter l'atteinte d'au moins une butée d'opérabilité de ladite turbomachine,
- un module de détermination (MOD_Bl_DET), configuré pour déterminer une consigne corrigée de débit de carburant (QCMD_CORREC) si ladite au moins une butée d'opérabilité est atteinte, ladite consigne corrigée de débit de carburant présentant un écart, dit « écart de débit »
(EC_DEB), par rapport à la consigne courante de débit de carburant (QCMD), ledit système de contrôle comportant également une boucle (B2) de régulation de couple pour déterminer une consigne de couple (TRQCMD) pour ladite au moins une machine électrique, ladite boucle de régulation de couple comportant :
- un premier module de détermination (MOD_B2_DETl), configuré pour déterminer une grandeur de correction de couple (ATRQ) en fonction dudit écart de débit,
- un deuxième module de détermination (MOD_B2_DET2), configuré pour déterminer ladite consigne de couple en fonction de ladite grandeur de correction de couple.
[Revendication 9] Turbomachine (T) comprenant un générateur de gaz comportant une chambre de combustion (13), un arbre de rotation basse pression (21) ainsi qu'un arbre de rotation haute pression (22), la turbomachine comprenant au moins une machine électrique (ME) formant un dispositif d'injection/prélèvement de couple sur au moins un desdits arbres de rotation ainsi qu'un système de contrôle (SYS_C ) selon la revendication 8.
[Revendication 10] Aéronef comportant une turbomachine (T) selon la revendication 9.
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