La présente invention concerne une turbomachine pour aéronef, en particulier, la commande d’une turbomachine afin de contrôler l’excursion du régime de l’arbre haute pression d’un moteur de la turbomachine.The present invention relates to a turbomachine for an aircraft, in particular, to the control of a turbomachine in order to control the excursion of the speed of the high pressure shaft of an engine of the turbomachine.
Les turbomachines double corps double flux à fort taux de dilution (BPR) présentent une différence importante entre l’inertie du corps basse pression et du corps haute pression. Par conséquent, l’augmentation du débit de carburant et potentiellement l’assistance électrique par injection de couple sur l’arbre basse pression lors de la phase d’accélération du régime basse pression pour répondre au besoin du pilote entraînent une forte augmentation du régime haute pression, jusqu’à avoir une « excursion » du régime haute pression, due à l’écart d’inertie entre les corps haute pression et basse pression. Cette excursion du régime haute pression contraint d’un point de vue coût et masse la conception des pièces mécaniques du corps haute pression pour assurer le maintien du moteur dans les limites de fonctionnement déclarées et démontrées.High bypass ratio (BPR) twin-spool turbomachines have a significant difference between the inertia of the low-pressure and high-pressure spools. Consequently, the increase in fuel flow and potentially the electrical assistance by injecting torque on the low-pressure shaft during the acceleration phase of the low-pressure regime to meet the pilot's needs lead to a strong increase in the high-pressure regime, to the point of having an "excursion" of the high-pressure regime, due to the inertia difference between the high-pressure and low-pressure spools. This excursion of the high-pressure regime constrains from a cost and mass point of view the design of the mechanical parts of the high-pressure spool to ensure that the engine is maintained within the declared and demonstrated operating limits.
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.Climate change is a major concern for many legislative and regulatory bodies around the world. Indeed, various restrictions on carbon emissions have been, are being or will be adopted by various states. In particular, an ambitious standard applies both to new types of aircraft as well as those in circulation requiring the implementation of technological solutions in order to make them compliant with current regulations. Civil aviation has been mobilizing for several years now to make a contribution to the fight against climate change.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.Technological research efforts have already made it possible to significantly improve the environmental performance of aircraft. The Applicant takes into consideration the impact factors in all phases of design and development to obtain less energy-intensive, more environmentally friendly aeronautical components and products whose integration and use in civil aviation have moderate environmental consequences with the aim of improving the energy efficiency of aircraft.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire l'empreinte environnementale de son activité.Consequently, the Applicant is constantly working to reduce its negative climate impact by using methods and operating virtuous development and manufacturing processes and minimizing greenhouse gas emissions to the minimum possible in order to reduce the environmental footprint of its activity.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.This sustained research and development work covers new generations of aircraft engines, the weight reduction of aircraft, particularly through the materials used and the lighter on-board equipment, the development of the use of electrical technologies to provide propulsion, and, as an essential complement to technological progress, aeronautical biofuels.
A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions.To this end, the invention is the result of technological research aimed at significantly improving the performance of aircraft and, in this sense, contributes to reducing the environmental impact of aircraft.
Un des objectifs de la présente invention est de permettre de limiter l’excursion du régime du corps haute pression et de permettre avantageusement la réduction de la consommation de carburants dans le cadre de moteurs hybrides.One of the objectives of the present invention is to make it possible to limit the excursion of the high pressure body speed and to advantageously allow the reduction of fuel consumption in the context of hybrid engines.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé de contrôle d’une turbomachine d’aéronef, la turbomachine comprenant un corps haute pression et un corps basse pression, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a)- la détection d’une demande d’accélération, ladite demande d’accélération générant une augmentation de la consigne carburant dans la turbomachine et une excursion du régime dudit corps haute pression par rapport au régime dudit corps basse pression,
b)- la comparaison entre le régime dudit corps haute pression et un premier seuil prédéterminé, et si le régime dudit corps haute pression atteint le premier seuil, le prélèvement de couple sur ledit corps haute pression,
c)- si le régime dudit corps haute pression atteint un second seuil prédéterminé supérieur au premier seuil, la diminution de ladite consigne carburant, et
d)- la poursuite du prélèvement de couple sur ledit corps haute pression, afin de faire repasser le régime dudit corps haute pression sous ledit second seuil.For this purpose, the present invention relates to a method for controlling an aircraft turbomachine, the turbomachine comprising a high pressure body and a low pressure body, the method comprising the following steps:
a)- the detection of an acceleration request, said acceleration request generating an increase in the fuel setpoint in the turbomachine and an excursion of the speed of said high pressure body relative to the speed of said low pressure body,
b) - the comparison between the speed of said high pressure body and a first predetermined threshold, and if the speed of said high pressure body reaches the first threshold, the torque sampling on said high pressure body,
c)- if the speed of said high pressure body reaches a second predetermined threshold higher than the first threshold, the reduction of said fuel setpoint, and
d) - continuing the collection of torque from said high pressure body, in order to bring the speed of said high pressure body back below said second threshold.
Ainsi, il est possible de limiter le régime du corps haute pression sous un seuil prédéterminé tout en maintenant la trajectoire demandée pour obéir à la demande d’accélération, en modulant certaines consignes et en compensant les consignes de carburant et les consignes de couple. Ceci permet notamment de limiter les risques de détérioration de la turbomachine et notamment du corps haute pression, causés par une excursion trop forte du régime du moteur haute pression. Le prélèvement de couple peut avantageusement permettre de réduire le régime du moteur haute pression et d’éviter cette excursion.Thus, it is possible to limit the speed of the high-pressure body below a predetermined threshold while maintaining the requested trajectory to comply with the acceleration request, by modulating certain instructions and compensating for the fuel instructions and the torque instructions. This makes it possible in particular to limit the risks of deterioration of the turbomachine and in particular of the high-pressure body, caused by an excessive excursion of the speed of the high-pressure engine. The torque extraction can advantageously make it possible to reduce the speed of the high-pressure engine and to avoid this excursion.
Selon certains modes de réalisation, le procédé est tel que :
e)- lorsque le régime dudit corps haute pression repasse sous ledit second seuil, ladite consigne de carburant est stabilisée et le prélèvement sur ledit corps haute pression est maintenu,
f)- lorsque le régime du corps basse pression atteint une consigne de régime dudit corps basse pression, la modulation de couple sur ledit arbre basse pression est mise à zéro,
g)- lorsque le régime dudit corps haute pression repasse sous ledit premier seuil, la modulation de couple sur ledit arbre haute pression est mise à zéro.According to certain embodiments, the method is such that:
e)- when the speed of said high pressure body falls below said second threshold, said fuel setting is stabilized and the sampling on said high pressure body is maintained,
f)- when the speed of the low pressure body reaches a speed setpoint of said low pressure body, the torque modulation on said low pressure shaft is set to zero,
g) - when the speed of said high pressure body falls below said first threshold, the torque modulation on said high pressure shaft is set to zero.
Selon certains modes de réalisation, lors de l’étape b), au moins une partie du prélèvement de couple sur ledit corps haute pression est injectée sur ledit corps basse pression afin de limiter la consigne de carburant.According to certain embodiments, during step b), at least part of the torque taken from said high pressure body is injected into said low pressure body in order to limit the fuel setpoint.
Ceci permet avantageusement de réinjecter la puissance du couple de l’arbre haute pression sur l’arbre basse pression et ainsi de faire des économies de carburant.This advantageously makes it possible to reinject the power of the torque from the high pressure shaft onto the low pressure shaft and thus save fuel.
Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend lors de l’étape d), une augmentation de couple sur ledit arbre basse pression obtenue à partir du prélèvement de couple sur ledit arbre haute pression et de l’injection d’au moins une partie de ce couple prélevé sur ledit arbre basse pression.According to certain embodiments, the method comprises, during step d), an increase in torque on said low pressure shaft obtained from the collection of torque on said high pressure shaft and the injection of at least part of this torque collected on said low pressure shaft.
Ainsi, la puissance mécanique extraite de l’arbre haute pression est avantageusement réutilisée, au moins partiellement, pour fournir de la puissance à l’arbre basse pression et ainsi limiter le carburant nécessaire pour maintenir le régime de l’arbre basse pression.Thus, the mechanical power extracted from the high pressure shaft is advantageously reused, at least partially, to provide power to the low pressure shaft and thus limit the fuel required to maintain the speed of the low pressure shaft.
Selon certains modes de réalisation, lors de l’étape d), l’augmentation de couple sur ledit arbre basse pression est déterminée pour compenser la consigne de carburant de l’étape c).According to certain embodiments, during step d), the increase in torque on said low pressure shaft is determined to compensate for the fuel setpoint of step c).
Selon certains modes de réalisation, les valeurs desdits premier et second seuils sont dépendantes d’un dimensionnement dudit arbre haute pression.According to certain embodiments, the values of said first and second thresholds are dependent on a dimensioning of said high pressure shaft.
Selon certains modes de réalisation, la valeur dudit premier seuil est inférieure de 5 à 6 % à une valeur maximale autorisée dudit régime de l’arbre haute pression et la valeur dudit second seuil est inférieure de 3 à 4% à ladite valeur maximale autorisée dudit régime de l’arbre haute pression.According to some embodiments, the value of said first threshold is 5 to 6% lower than a maximum authorized value of said high pressure shaft speed and the value of said second threshold is 3 to 4% lower than said maximum authorized value of said high pressure shaft speed.
L’invention concerne également un programme d’ordinateur comportant des instructions pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’invention, lorsque ledit programme d’ordinateur est exécuté par un ordinateur.The invention also relates to a computer program comprising instructions for implementing a method according to the invention, when said computer program is executed by a computer.
L’invention concerne également un support d’enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur selon l’invention.The invention also relates to a computer-readable recording medium on which a computer program according to the invention is recorded.
L’invention concerne également un dispositif de contrôle d’une turbomachine d’aéronef, la turbomachine comprenant un corps haute pression et un corps basse pression, le dispositif comprenant un ou plusieurs processeurs configurés ensemble ou séparément pour:
a)- détecter une demande d’accélération, ladite demande d’accélération générant une augmentation d’une consigne de carburant dans la turbomachine et une excursion du régime dudit corps haute pression par rapport audit corps basse pression,
b)- comparer le régime dudit corps haute pression avec un premier seuil prédéterminé, et si le régime dudit corps haute pression atteint ledit premier seuil, prélever du couple sur ledit corps haute pression,
c)- si ledit régime dudit corps haute pression atteint un second seuil prédéterminé supérieur audit premier seuil, diminuer ladite consigne carburant, et
d)- poursuivre le prélèvement de couple sur ledit corps haute pression, afin de faire repasser le régime dudit corps haute pression sous ledit second seuil.The invention also relates to a device for controlling an aircraft turbomachine, the turbomachine comprising a high pressure body and a low pressure body, the device comprising one or more processors configured together or separately to:
a)- detecting an acceleration request, said acceleration request generating an increase in a fuel setpoint in the turbomachine and an excursion in the speed of said high pressure body relative to said low pressure body,
b)- compare the speed of said high pressure body with a first predetermined threshold, and if the speed of said high pressure body reaches said first threshold, take torque from said high pressure body,
c)- if said regime of said high pressure body reaches a second predetermined threshold higher than said first threshold, reduce said fuel setpoint, and
d)- continue the torque sampling on said high pressure body, in order to bring the speed of said high pressure body back below said second threshold.
L’invention concerne également un aéronef comportant un dispositif selon l’invention.The invention also relates to an aircraft comprising a device according to the invention.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexes qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif.Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the accompanying drawings which illustrate an exemplary embodiment thereof without any limiting character.
Comme illustré sur la
Comme dans le mode de réalisation illustré, la turbomachine 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 entraînée en rotation par la turbine basse pression 270 à travers l’arbre basse pression 210. Comme illustré, la turbomachine 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 entraînée avec une moindre vitesse de rotation que l’arbre basse pression 210. Toutefois, une soufflante à entraînement direct par l’arbre basse pression 210 est également envisageable. Par ailleurs, d’autres architectures de la turbomachine 200, sans soufflante, sont également envisageables. Ainsi, la turbomachine 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 la turbomachine 200 ne comprenne qu’un seul compresseur, couplé mécaniquement à l’arbre haute pression 210.As in the illustrated embodiment, the turbomachine 200 may be a bypass turbojet engine also comprising a fan 280, which may also be mechanically coupled to the low-pressure shaft 230, so as to also be able to be driven in rotation by the low-pressure turbine 270 through the low-pressure shaft 210. As illustrated, the turbomachine 200 could also comprise a reducer 290 interposed between the low-pressure shaft 210 and the fan 280, so that the fan 280 can be driven with a lower rotational speed than the low-pressure shaft 210. However, a fan with direct drive by the low-pressure shaft 210 is also conceivable. Furthermore, other architectures of the turbomachine 200, without a fan, are also conceivable. Thus, the turbomachine 200 could alternatively be a turboprop, with at least one propulsive propeller mechanically coupled to the low-pressure shaft 210 through the reducer 290, or a turboshaft engine, with at least one lift rotor mechanically coupled to the low-pressure shaft 210 through the reducer 290. It is also conceivable, in particular for a turboshaft engine or a turboprop, that the turbomachine 200 comprises only one compressor, mechanically coupled to the high-pressure shaft 210.
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 invention, qu’elle ne soit configurée qu’en tant que générateur électrique, apte uniquement à transformer du travail mécanique en énergie électrique.The first electrical machine 300 may be, as illustrated, configured as a motor-generator to selectively transform electrical energy into mechanical work in motor mode and mechanical work into electrical energy in generator mode. This first electrical machine 300 may be mechanically coupled to the low-pressure shaft 210 to actuate, in motor mode, the low-pressure shaft 210, and to be actuated, in generator mode, by the low-pressure shaft 210. However, it is also conceivable, within the scope of the present invention, that it is configured only as an electrical generator, capable only of transforming mechanical work into electrical energy.
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. Ce moteur peut être couplé mécaniquement à l’arbre haute pression 220 pour actionner, en mode moteur, l’arbre haute pression 220, et pour être actionné, en mode générateur, par l’arbre haute pression 220. Toutefois, il est également envisageable, dans le cadre de la présente invention, qu’elle ne soit configurée qu’en tant que générateur électrique, apte uniquement à transformer du travail mécanique en énergie électrique.Similarly, the second electrical machine 400 may also be, as illustrated, configured as a motor-generator for selectively transforming electrical energy into mechanical work in motor mode and mechanical work into electrical energy in generator mode. This motor may be mechanically coupled to the high-pressure shaft 220 to actuate, in motor mode, the high-pressure shaft 220, and to be actuated, in generator mode, by the high-pressure shaft 220. However, it is also conceivable, within the scope of the present invention, that it is configured only as an electrical generator, capable only of transforming mechanical work into electrical energy.
L’unité de contrôle 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 200. Cette unité de contrôle 500 obtient des signaux représentant des paramètres de fonctionnement de la turbomachine 200. Cette unité de contrôle 500 peut être connectée à la turbomachine 200 pour commander notamment l’alimentation de la chambre de combustion 250 en carburant, en lui fournissant une consigne de carburant WF_CMD, ainsi qu’aux moteurs 400 et 300 pour leur fournir une consigne de couple TRQ_CMD pour commander l’injection et/ou extraction de travail mécanique respectivement de l’arbre haute pression 220 et de l’arbre basse pression 210. L’unité de contrôle 500 peut aussi être connectée 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 200, 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.The control unit 500 may be an electronic control unit, optionally a full authority digital engine control (FADEC) unit. It may in particular take the form of an electronic processor capable of implementing the instructions of a computer program to control the operation of the engine assembly 200. This control unit 500 obtains signals representing operating parameters of the turbomachine 200. This control unit 500 may be connected to the turbomachine 200 to control in particular the supply of fuel to the combustion chamber 250, by providing it with a fuel instruction WF_CMD, as well as to the engines 400 and 300 to provide them with a torque instruction TRQ_CMD to control the injection and/or extraction of mechanical work respectively from the high-pressure shaft 220 and the low-pressure shaft 210. The control unit 500 may also be connected to a manual control, such as for example a throttle lever 80, and/or to a flight computer 90, in order to receive an operating instruction from the engine assembly 200, which may for example take the form of a thrust, power, or rotation speed instruction of the low pressure shaft 210 and/or the high pressure shaft 220.
L’unité de contrôle 500 peut par ailleurs être connectée à des capteurs de température 276 et 277, disposés, respectivement, directement en aval et en amont de la turbine basse pression 270, pour recevoir des températures des gaz de combustion en sortie de la turbine basse pression 270 et en sortie de la turbine haute pression 260, à un ou plusieurs capteurs de pression (non illustrés), disposés dans la chambre de combustion 250 pour capter une pression statique en entrée de la chambre de combustion 250 et la transmettre à l’unité de contrôle 500, et à un ou plusieurs capteurs de débit (non illustrés), disposés dans un circuit d’alimentation de la chambre de combustion 250 en carburant.The control unit 500 can also be connected to temperature sensors 276 and 277, arranged, respectively, directly downstream and upstream of the low-pressure turbine 270, to receive temperatures of the combustion gases at the outlet of the low-pressure turbine 270 and at the outlet of the high-pressure turbine 260, to one or more pressure sensors (not shown), arranged in the combustion chamber 250 to capture a static pressure at the inlet of the combustion chamber 250 and transmit it to the control unit 500, and to one or more flow sensors (not shown), arranged in a circuit for supplying fuel to the combustion chamber 250.
La
Ce système de contrôle est, de préférence, implémenté dans une unité de contrôle 500 telle qu’illustrée en
Ce système permet avantageusement de contrôler l’excursion du régime du corps haute pression lors de l’accélération du corps basse pression. Par « excursion » du régime du corps haute pression, on entend dans la présente description le dépassement du régime du corps haute pression au-delà d’un seuil haut lié à un couple maximal de l’arbre haute pression. Cette excursion peut notamment être due à l’écart d’inertie entre le corps basse pression et le corps haute pression de la turbomachine. Cet écart d’inertie est particulièrement important dans le cas des turbomachines à fort taux de dilution (encore connu sous l’appellation anglaise « By-Pass Ratio »). Par conséquent, l’accélération du corps basse pression, nécessaire pour garantir les temps d’accélération exigés, obéissant à une trajectoire pour limiter la dissymétrie de poussée entre les moteurs, peut conduire à une excursion du régime du corps haute pression.This system advantageously makes it possible to control the excursion of the high-pressure body speed during acceleration of the low-pressure body. In the present description, the term “excursion” of the high-pressure body speed means the exceeding of the high-pressure body speed beyond a high threshold linked to a maximum torque of the high-pressure shaft. This excursion may in particular be due to the inertia difference between the low-pressure body and the high-pressure body of the turbomachine. This inertia difference is particularly significant in the case of turbomachines with a high bypass ratio (also known as “By-Pass Ratio”). Consequently, the acceleration of the low-pressure body, necessary to guarantee the required acceleration times, obeying a trajectory to limit the thrust asymmetry between the engines, may lead to an excursion of the high-pressure body speed.
Ce système contrôle au moins trois commandes :
- la consigne de carburant (WF32),
- l’injection ou le prélèvement de puissance sur l’arbre haute pression via une machine électrique ou consigne de couple sur l’arbre haute pression (TRQHP),
- l’injection ou le prélèvement de puissance sur l’arbre basse pression via une machine électrique ou consigne de couple sur l’arbre basse pression (TRQBP).This system controls at least three commands:
- the fuel instruction (WF32),
- injection or extraction of power from the high pressure shaft via an electric machine or torque setpoint on the high pressure shaft (TRQHP),
- injection or extraction of power on the low pressure shaft via an electric machine or torque setpoint on the low pressure shaft (TRQBP).
Ce système peut contrôler ou limiter également plusieurs grandeurs de sortie,
- La vitesse de rotation de l’arbre haute pression (NH),
- La vitesse de rotation de l’arbre basse pression (NL),
- La pression en entrée de chambre de combustion (PS3)
- La température en sortie de turbine basse pression (T5)
- La température des gaz d’échappement (EGT)This system can also control or limit several output quantities,
- The rotation speed of the high pressure shaft (NH),
- The rotation speed of the low pressure shaft (NL),
- The pressure at the combustion chamber inlet (PS3)
- The temperature at the low pressure turbine outlet (T5)
- Exhaust gas temperature (EGT)
L’unité de contrôle 500 est configurée pour implémenter un procédé de contrôle selon un mode de réalisation particulier de l’invention et peut comprendre plusieurs fonctions pour contrôler la turbomachine. Elle peut également recevoir en entrée et fournir en sortie plusieurs signaux de commande ou de consignes, non mentionnés dans le cadre de la présente invention.The control unit 500 is configured to implement a control method according to a particular embodiment of the invention and can comprise several functions for controlling the turbomachine. It can also receive as input and provide as output several control or instruction signals, not mentioned in the context of the present invention.
L’unité de contrôle 500 peut comprendre notamment un module 501 configuré pour piloter le couple de l’arbre moteur basse pression. Ce module reçoit en entrée une mesure de régime de l’arbre basse pression, RegimeBP, et une consigne de trajectoire, TrajBP, et fournit en sortie une commande différentielle de couple ΔTRQBPTrajBPet une consigne différentielle de carburant ΔWFTrajBP.The control unit 500 may comprise in particular a module 501 configured to control the torque of the low-pressure engine shaft. This module receives as input a measurement of the speed of the low-pressure shaft, RegimeBP, and a trajectory instruction, TrajBP, and provides as output a differential torque command ΔTRQBPTrajBP and a differential fuel instruction ΔWFTrajBP .
L’unité de contrôle 500 peut comprendre également un deuxième module 502 qui détermine une seconde commande différentielle de carburant ΔWFseuil. Le module 502 reçoit en entrée une valeur de seuil de régime haute pression, S2, dite seconde valeur de seuil, et une mesure de régime de l’arbre haute pression, RegimeHP.The control unit 500 may also comprise a second module 502 which determines a second fuel differential control ΔWFthreshold . The module 502 receives as input a high pressure speed threshold value, S2, called the second threshold value, and a measurement of the high pressure shaft speed, RegimeHP.
L’unité de contrôle 500 peut également comprendre un troisième module 503 configuré pour piloter le couple de l’arbre moteur haute pression sous forme différentielle ΔTRQHPPre-seuil. Le module 503 reçoit en entrée une valeur de seuil de régime haute pression, S1, dite première valeur de seuil, et la mesure de régime de l’arbre haute pression, RegimeHP.The control unit 500 may also comprise a third module 503 configured to control the torque of the high-pressure engine shaft in differential form ΔTRQHPPre-threshold . The module 503 receives as input a high-pressure speed threshold value, S1, called the first threshold value, and the measurement of the speed of the high-pressure shaft, RegimeHP.
Un commutateur 504 contrôlé par un signal indicateur d’accélération TopAcc. Le signal TopAcc, lorsqu’il est activé, c’est-à-dire lorsqu’une accélération est détectée, permet au commutateur 504 de sélectionner, comme commande de consigne de couple sur l’arbre basse pression, la commande ΔTRQBPTrajBP. Celle-ci représentant un différentiel, ce différentiel est appliqué à la valeur précédente pour obtenir la valeur courante de consigne de couple sur l’arbre basse pression TRQBP.A switch 504 controlled by an acceleration indicator signal TopAcc. The TopAcc signal, when activated, that is to say when an acceleration is detected, allows the switch 504 to select, as a torque reference command on the low pressure shaft, the command ΔTRQBPTrajBP . This representing a differential, this differential is applied to the previous value to obtain the current torque reference value on the low pressure shaft TRQBP.
La valeur de la commande de carburant WF32 est obtenue en sélectionnant le minimum d’incrément entre une valeur d’incrément déterminée par le module 501 ,ΔWFTrajBP, et une valeur d’incrément déterminée par le module 502, ΔWFseuil. Celle-ci représentant un différentiel, ce différentiel est appliqué à la valeur précédente pour obtenir la valeur courante de commande carburant WF32.The value of the fuel command WF32 is obtained by selecting the minimum increment between an increment value determined by the module 501, ΔWFTrajBP , and an increment value determined by the module 502, ΔWFthreshold . This representing a differential, this differential is applied to the previous value to obtain the current value of fuel command WF32.
Un commutateur 505 sélectionne comme commande de couple sur l’arbre haute pression, la commande la valeur courante ΔTRQHPpre-seuillorsque le régime de l’arbre moteur haute pression est supérieur au premier seuil, S1. Celle-ci représentant un différentiel, ce différentiel est appliqué à la valeur précédente pour obtenir la valeur courante de consigne de couple de l’arbre haute pression TRQHP.A switch 505 selects as torque command on the high pressure shaft, the command the current value ΔTRQHPpre-threshold when the speed of the high pressure motor shaft is greater than the first threshold, S1. This representing a differential, this differential is applied to the previous value to obtain the current torque setpoint value of the high pressure shaft TRQHP.
Nous allons décrire maintenant la
Lors de la détection d’une demande d’accélération, phase 1 de la
Comme indiqué précédemment, les turbomachines à fort taux de dilution peuvent présenter une différence d’inertie importante entre le corps basse pression et le corps haute pression et ainsi, lors de l’accélération, le couple sur l’arbre haute pression peut atteindre rapidement des valeurs qui pourraient conduire à une dégradation de celui-ci. Ainsi, lorsque le couple de l’arbre haute pression dépasse un premier seuil S1, le module 503 contrôle le couple du corps haute pression en prélevant du couple sur l’arbre haute pression. De manière avantageuse le couple prélevé sur l’arbre haute pression est ré-injecté, au moins partiellement, sur l’arbre basse pression. Ceci permet avantageusement de limiter le carburant nécessaire pour suivre la trajectoire d’accélération en remplaçant l’énergie fournie par le carburant par l’énergie mécanique fournie par le couple de l’arbre haute pression.As indicated above, turbomachines with a high bypass ratio can have a significant difference in inertia between the low-pressure body and the high-pressure body and thus, during acceleration, the torque on the high-pressure shaft can quickly reach values that could lead to a degradation thereof. Thus, when the torque of the high-pressure shaft exceeds a first threshold S1, the module 503 controls the torque of the high-pressure body by taking torque from the high-pressure shaft. Advantageously, the torque taken from the high-pressure shaft is re-injected, at least partially, onto the low-pressure shaft. This advantageously makes it possible to limit the fuel necessary to follow the acceleration trajectory by replacing the energy provided by the fuel with the mechanical energy provided by the torque of the high-pressure shaft.
Ainsi, le couple régime haute pression est limité dans son excursion, mais continue de croître plus lentement. Ceci est illustré par la phase 2 de la
Lorsque le régime de l’arbre haute pression atteint un second seuil S2, plus élevé que le premier seuil S1, le module 502 contrôle la consigne de carburant WF32 au lieu du module 501. Ce contrôle consiste à diminuer la consigne de carburant de manière à limiter l’excursion du régime haute pression au seuil S2, ceci est illustré par la phase 3 de la
La consigne de carburant étant diminuée pour limiter l’excursion du régime de l’arbre haute pression, le prélèvement de la puissance sur le couple de l’arbre haute pression est avantageusement injecté sur le couple de l’arbre basse pression pour permettre de ne pas trop s’éloigner de la trajectoire demandée pour le régime basse pression. Ceci permet avantageusement des économies de carburant.The fuel setpoint being reduced to limit the excursion of the high pressure shaft speed, the power taken from the torque of the high pressure shaft is advantageously injected into the torque of the low pressure shaft to avoid straying too far from the trajectory requested for the low pressure speed. This advantageously allows fuel savings.
L’injection de couple sur l’arbre basse pression permet de compenser la diminution de carburant, pour maintenir au plus proche la trajectoire, phase 4 de la
Lorsque le régime de l’arbre haute pression redescend sous le seuil S2, phase 5 de la
Lorsque le régime du corps haute pression repasse sous ledit premier seuil, la modulation du couple de l’arbre haute pression est mise à zéro progressivement, phase 6 de la
Les seuils S1 et S2 sont avantageusement dépendants du dimensionnement de l’arbre haute pression et peuvent par exemple être situés, pour S1, entre 5 et 6% en dessous de la valeur maximale de régime, et pour S2, entre 3 et 4% en dessous de la valeur maximale de régime.The thresholds S1 and S2 are advantageously dependent on the dimensioning of the high pressure shaft and can for example be located, for S1, between 5 and 6% below the maximum speed value, and for S2, between 3 and 4% below the maximum speed value.
La
- le régime du corps haute pression,
- le régime du corps basse pression,
- le couple sur l’arbre haute pression TRQHP,
- le couple sur l’arbre basse pression TRQBP,
- la consigne de carburant WF32.There
- high pressure body regime,
- the low pressure body regime,
- the torque on the high pressure shaft TRQHP,
- the torque on the low pressure shaft TRQBP,
- the WF32 fuel instruction.
La courbe en pointillé représente les courbes des différentes grandeurs mentionnées ci-dessus par la mise en œuvre d’un mode de réalisation de la présente invention et les courbes en trait plein représentent les courbes sans la mise en œuvre de l’invention.The dotted curve represents the curves of the various quantities mentioned above by the implementation of an embodiment of the present invention and the solid curves represent the curves without the implementation of the invention.
Les différentes phases ou étapes sont décrites en regard de la
La
Lors d’une étape E1, l’unité de commande détecte si une demande d’accélération est demandée. Cette détection peut être effectuée par la détection de la valeur du signal TopAcc par exemple. Cette détection peut prendre en compte une hystérésis, de manière à être robuste par rapport aux oscillations.During an E1 step, the control unit detects whether an acceleration request is requested. This detection can be carried out by detecting the value of the TopAcc signal for example. This detection can take into account a hysteresis, so as to be robust with respect to oscillations.
Cette demande d’accélération génère, ou déclenche, une augmentation de régime du corps haute pression et du corps basse pression ainsi qu’une augmentation de la consommation de carburant pour satisfaire cette demande d’accélération. Comme indiqué précédemment, la différence d’inertie entre le corps basse pression et le corps haute pression peut générer une excursion de régime du corps haute pression pour permettre au régime du corps basse pression de suivre cette trajectoire. Cette excursion conduirait à des contraintes importantes au niveau mécanique et coût dans la conception du corps haute pression pour éviter une détérioration à ces régimes élevés. Il est donc proposé de limiter cette excursion tout en satisfaisant au mieux la trajectoire souhaitée du régime de l’arbre basse pression pour satisfaire cette demande d’accélération.This acceleration demand generates, or triggers, an increase in the speed of the high pressure body and the low pressure body as well as an increase in fuel consumption to satisfy this acceleration demand. As previously indicated, the difference in inertia between the low pressure body and the high pressure body can generate a speed excursion of the high pressure body to allow the speed of the low pressure body to follow this trajectory. This excursion would lead to significant constraints at the mechanical and cost level in the design of the high pressure body to avoid deterioration at these high speeds. It is therefore proposed to limit this excursion while best satisfying the desired trajectory of the speed of the low pressure shaft to satisfy this acceleration demand.
La présente invention permet donc de contrôler cette excursion afin notamment d’assurer les objectifs suivants
- Le bon fonctionnement du moteur (assurer les prélèvements avion, la richesse du mélange air/carburant dans la chambre de combustion, éviter l’extinction, notamment lors de l’ingestion d’eau ou de grêle),
- Les performances du moteur (temps d’accélération, temps de décélérations, manette pilote)
- Les limites physiques d’actionnement (dimensionnement du système carburant, dimensionnement des machines électriques)
- La protection du moteur (éviter le pompage du compresseur haute pression, éviter les surchauffes et le pompage à bas régime, éviter le dévissage, la limite basse de la survitesse et l’éclatement de la chambre de combustion, démarrage)The present invention therefore makes it possible to control this excursion in order in particular to ensure the following objectives:
- The proper functioning of the engine (ensuring aircraft samples, the richness of the air/fuel mixture in the combustion chamber, avoiding extinction, particularly when ingesting water or hail),
- Engine performance (acceleration time, deceleration time, pilot throttle)
- Physical actuation limits (sizing of the fuel system, sizing of electrical machines)
- Engine protection (prevent high pressure compressor pumping, prevent overheating and low speed pumping, prevent unscrewing, low limit overspeed and combustion chamber burst, start-up)
Lorsque le régime du corps haute pression est supérieur à un premier seuil S1, lors de l’étape E2, du couple est prélevé sur le corps haute pression, étape E3. Le prélèvement de couple sur le corps haute pression permet de diminuer l’excursion du régime du moteur haute pression. La courbe du régime haute pression sur la
Dans certains modes de réalisation, le prélèvement de couple sur le corps haute pression, ou une partie de ce prélèvement, est injecté sur le corps basse pression afin de limiter la consigne de carburant WF32.In some embodiments, the torque draw from the high pressure body, or a portion of it, is injected into the low pressure body to limit the fuel setpoint WF32.
Si la modulation du couple sur l’arbre haute pression jusqu’au prélèvement maximal possible ne suffit pas pour maintenir le régime haute pression au seuil S1, alors le régime du corps haute pression peut atteindre un second seuil S2, lors de l’étape E4. La consigne de carburant WF32 est alors diminuée, étape E5, ce que l’on observe sur la courbe de carburant lors de la phase 3 de la
Afin de permettre au régime de l’arbre basse pression de suivre la trajectoire, de la puissance peut être injectée par augmentation de couple TRQBP, sur l’arbre basse pression, étape E6.In order to allow the low pressure shaft regime to follow the trajectory, power can be injected by increasing torque TRQBP, on the low pressure shaft, step E6.
Dans certains modes de réalisation, l’augmentation de coupleTRQBP sur l’arbre basse pression est obtenue à partir du prélèvement de couple TRQHP sur l’arbre haute pression et de l’injection d’au moins une partie de ce couple prélevé sur l’arbre basse pression.In some embodiments, the increase in torque TRQBP on the low pressure shaft is obtained from taking torque TRQHP from the high pressure shaft and injecting at least a portion of this taken torque onto the low pressure shaft.
Dans certains modes de réalisation, l’augmentation de couple TRQBP sur l’arbre basse pression est déterminée pour compenser la consigne de carburant WF32 de l’étape E6.In some embodiments, the torque increase TRQBP on the low pressure shaft is determined to compensate for the fuel setpoint WF32 of step E6.
Lorsque le régime du corps haute pression repasse sous ledit second seuil S2, étape E7, la consigne de carburant WF32 est stabilisée, étape E8, et le prélèvement de couple TRQHP est maintenu sur le corps haute pression, étape E9.When the high pressure body speed falls below said second threshold S2, step E7, the fuel setpoint WF32 is stabilized, step E8, and the torque sampling TRQHP is maintained on the high pressure body, step E9.
Lorsque le régime du corps basse pression atteint une consigne de régime du corps basse pression, étape E10, le couple TRQBP de l’arbre basse pression est mis à zéro, étape E11.Lorsque le régime du corps haute pression repasse sous le premier seuil S1, étape E12, le couple TRQHP de l’arbre haute pression est mis à zéro, étape E13.When the low pressure body speed reaches a low pressure body speed setpoint, step E10, the low pressure shaft torque TRQBP is set to zero, step E11. When the high pressure body speed falls below the first threshold S1, step E12, the high pressure shaft torque TRQHP is set to zero, step E13.
Dans un mode de réalisation, les modules fonctionnels de la
La mémoire non-volatile 22 comprend notamment un programme d'ordinateur P1 dont l'exécution correspond à la mise en œuvre d'un procédé de commande conforme à un mode de réalisation de l'invention, et par exemple celui décrit en référence à la
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