DOMAINE DE L'INVENTION

La présente demande concerne de manière générale le domaine des turbomachines, et plus particulièrement le dimensionnement du prélèvement d’air sur un compresseur haute pression.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Une turbomachine présente une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal, et comporte typiquement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante et un corps primaire comportant une section de compression pouvant comprendre un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, et une section de turbine pouvant comprendre une turbine haute pression et une turbine basse pression. La turbomachine peut comporter deux ports d’admission, un port d’admission haute pression placé au voisinage de la sortie du compresseur haute pression et un port d’admission intermédiaire placé en amont. Les deux compresseurs peuvent transférer de façon bilatérale une partie de leur puissance mécanique par l’intermédiaire de convertisseurs électromécaniques directement montés sur chaque arbre solidaire des compresseurs haute pression et basse pression. On parle alors d’architecture hybridée. On pourra se référer au document WO 2020/ 245516 pour d’informations sur ce type d’architectures.

La réduction de la consommation en carburant des aéronefs passe notamment par l’amélioration des performances en termes de prélèvement d’air utile à la pressurisation de la cabine pendant toutes les phases de vol.

Ces performances sont intrinsèquement liées à la position des ports de prélèvement dans la turbomachine. La turbomachine peut ainsi comprendre deux ports au niveau du compresseur. Lorsque la pression au niveau du port le plus amont est trop faible, l’air est prélevé au niveau du port situé en sortie du compresseur. Or, si la pression prélevée est trop élevée lors d’une phase de vol donnée, l’efficacité du compresseur correspondant est intrinsèquement réduite. De plus, l’utilisation d’un air présentant une pression trop élevée implique de surdimensionner le système refroidissement de l’air, ce qui implique un surcoût en termes de consommation et d’équipement.

EXPOSE DE L'INVENTION Un but de l’invention est donc de remédier aux problèmes de surpression de l’air prélevé au niveau du compresseur basse pression pour le fonctionnement de l’aéronef pendant les différentes phases de vol tout en maintenant la pression de l’air au-dessus d’un point critique de basculement sur un port d’admission haute pression.

Il est à cet effet proposé un ensemble d’une turbomachine comprenant :

- un compresseur haute pression configuré pour être entraîné par un arbre haute pression ;

- un compresseur basse pression configuré pour être entraîné par un arbre basse pression, l’arbre basse pression étant configuré pour être entraîné à une vitesse inférieure à l’arbre haute pression ;

- un premier convertisseur de puissance configuré pour être entraîné par l’arbre haute pression ;

- un système de circulation d’air comprenant un premier port de prélèvement d’air positionné dans le compresseur haute pression et un deuxième port de prélèvement d’air placé en amont du premier port de prélèvement d’air ;

- des moyens de détermination d’une condition de fonctionnement de l’ensemble de turbomachine ; et

- un contrôleur configuré pour envoyer des instructions de transfert au premier convertisseur de puissance d’une puissance de l’arbre haute pression vers l’arbre basse pression ou d’une puissance de l’arbre basse pression vers l’arbre haute pression en fonction de la condition de fonctionnement.

On peut prévoir que les moyens de détermination de la condition de fonctionnement comprennent l’un au moins des éléments suivants :

- un capteur de pression positionné au niveau du deuxième port de prélèvement d’air ;

- un calculateur configuré pour estimer une pression au niveau du deuxième port de prélèvement d’air.

On peut prévoir que le premier convertisseur de puissance est un convertisseur électromécanique fonctionnant en mode générateur, le premier convertisseur de puissance pouvant prélever la puissance sur l’arbre haute pression ou transférer la puissance à l’arbre haute pression.

On peut prévoir que l’ensemble comprend en outre un deuxième convertisseur de puissance recevant la puissance du premier convertisseur de puissance, le deuxième convertisseur de puissance pouvant prélever la puissance sur l’arbre basse pression ou transférer la puissance à l’arbre basse pression.

On peut prévoir que le deuxième convertisseur de puissance est un convertisseur électromécanique fonctionnant en mode moteur.

On peut prévoir que le deuxième port de prélèvement d’air est positionné dans le compresseur haute pression.

On peut prévoir que le compresseur haute pression comprend un nombre donné d’étages de compression, le deuxième port étant positionné entre le deuxième étage et le quatrième étage, de préférence entre le deuxième étage et le troisième étage.

On prévoit également selon l’invention une turbomachine comprenant l’ensemble tel que décrit précédemment.

On prévoit aussi selon l’invention un procédé de contrôle de l’ensemble de turbomachine tel que décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes :

- déterminer une condition de fonctionnement de l’ensemble de turbomachine ; et

- transférer une puissance de l’arbre haute pression vers l’arbre basse pression ou une puissance de l’arbre basse pression vers l’arbre haute pression en fonction de la condition de fonctionnement de sorte à augmenter une pression au niveau du deuxième port de prélèvement.

On prévoit aussi selon l’invention un procédé de dimensionnement de l’ensemble de turbomachine tel que décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes :

- déterminer une pression cible en phase de croisière de la turbomachine ; et

- positionner le deuxième port de prélèvement de sorte que la pression au niveau du deuxième port de prélèvement soit égale à la pression cible.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La figure 1 illustre de façon schématique une demie-coupe d’un exemple de turbomachine d’aéronef conforme à un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 2a est une vue simplifiée d’un exemple de turbomachine conventionnel ;

La figure 2b est une vue simplifiée d’un autre exemple de turbomachine d’aéronef conforme à un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 3a est un graphe représentant l’évolution de la pression dans le compresseur de la figure 2b (en traits discontinus) et du compresseur de la figure 2a (en trait plein) en fonction de la position du port de prélèvement d’air amont au décollage et en montée ;

La figure 3b est un graphe représentant l’évolution de la pression dans le compresseur de la figure 2b (en traits discontinus) et du compresseur de la figure 2a (en trait plein) en fonction de la position du port de prélèvement d’air amont en croisière ;

La figure 4 illustre partiellement une chaine d’information et de puissance dans lesquelles sont détaillées les étapes d’un mode de mise en oeuvre du procédé de contrôle de l’invention ; et

La figure 5 est un algorigramme illustrant un mode de mise en oeuvre du procédé de dimensionnement de l’invention.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Une turbomachine 1 présente une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal X, et comporte typiquement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante 2, un corps primaire comportant une section de compression pouvant comprendre un compresseur basse pression 4 ainsi qu’un compresseur haute pression 5, une chambre de combustion 6, et une section de turbine pouvant comprendre une turbine haute pression 7 ainsi qu’une turbine basse pression 8. Dans un mode de réalisation, la soufflante 2 peut être carénée et être logée dans un carter de rétention et comprend une nacelle 10 définissant une enveloppe aérodynamique du moteur 1. En variante, la soufflante peut être non carénée. Le flux d’air entrant dans la turbomachine 1 se divise en un flux primaire configuré pour traverser le corps primaire et un flux secondaire qui contourne le corps primaire et est comprimé par la soufflante 2.

En outre, la turbomachine 1 peut être carénée et comprendre plus de deux corps.

La turbomachine 1 comprend au moins deux arbres d’entrainement, typiquement un arbre haute pression 12 et un arbre basse pression 11 . L’arbre haute pression 12 est raccordé à la turbine haute pression 7 et est configuré pour entraîner le compresseur haute pression 5.

L’arbre basse pression 11 est raccordé à la turbine basse pression 8 et est configuré pour entrainer le compresseur basse pression 4.

Dans le cas d’une turbomachine double corps, la soufflante 2 est entraînée par l’arbre basse pression 11 , soit directement (comme illustré par exemple sur les figures 2a et 2b) par la turbine basse pression, soit par l’intermédiaire d’un mécanisme de réduction pouvant comprendre un réducteur épicycloïdal du type planétaire ou en étoile (voir figure 1 ).

Dans le cas d’une turbomachine triple corps, la soufflante 2 est entraînée par un troisième arbre raccordé à une turbine intermédiaire s’étendant entre la turbine haute pression 7 et la turbine basse pression 8. La turbine basse pression 8 n’entraine alors que le compresseur basse pression 4, directement ou via un mécanisme de réduction.

Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz dans la turbomachine 1. Ainsi, l’axe X de la turbomachine 1 correspond à l’axe de rotation de ses parties rotor.

La turbomachine 1 comprend également :

- un premier convertisseur de puissance 21 , ou convertisseur HP 21 , configuré pour être entraîné par l’arbre haute pression 12 ;

- un système de circulation d’air comprenant deux ports de prélèvement amont 3 et aval 9 ; et

- des moyens de détermination d’une condition de fonctionnement 50 de la turbomachine 1 et un contrôleur 40 configuré pour envoyer des instructions de transfert au premier convertisseur 21 de puissance d’une puissance de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 ou d’une puissance de l’arbre basse pression 11 vers l’arbre haute pression 12 en fonction de la condition de fonctionnement.

Le port aval 9 est positionné dans le compresseur haute pression 5. Le port amont 3 est placé en amont du port aval 9. Dans une forme de réalisation, le port amont 3 est également positionné dans le compresseur haute pression 5.

La pression de l’air prélevé par chaque port 3, 9 dépend de la position du port dans le compresseur haute pression 5. Plus le port est en amont, plus la pression prélevée est faible.

L’air prélevé par chaque port 3, 9 traverse un organe de détente permettant d’adapter la pression et la température pour différentes applications comme le conditionnement de l’air pour une cabine d’aéronef ou bien le dégivrage des ailes d’un aéronef. La turbomachine 1 comprend un premier convertisseur électromécanique 21 relié mécaniquement à l’arbre haute pression 12 par l'intermédiaire d'un boitier d’accessoires 20 et un deuxième convertisseur électromécanique 31 relié mécaniquement à l’arbre basse pression 11 par l'intermédiaire d'un dispositif d’accouplement 30 et électriquement au premier convertisseur 21 par l’intermédiaire d’un réseau électrique interne 14. Selon la condition de fonctionnement de la turbomachine 1 , le premier convertisseur 21 est configuré pour prélever une puissance sur l’arbre haute pression 12 et transférer cette puissance à une pièce de la turbomachine 1 , par exemple à l’arbre basse pression 11 et le deuxième convertisseur électromécanique 31 configuré pour être entraîné par l’arbre basse pression 11 et recevoir la puissance du premier convertisseur 21 . Le premier convertisseur 21 fonctionne alors en mode générateur et le deuxième convertisseur 31 fonctionne alors en mode moteur. En variante, le deuxième convertisseur 31 peut être configuré pour prélever une puissance sur l’arbre basse pression 11 et transférer cette puissance à une pièce de la turbomachine 1 , par exemple à l’arbre haute pression 12 et le premier convertisseur électromécanique 21 peut être configuré pour être entraîné par l’arbre haute pression 12 et recevoir la puissance du deuxième convertisseur 31. Le deuxième convertisseur 31 fonctionne alors en mode générateur et le premier convertisseur 21 fonctionne alors en mode moteur. On notera que le fonctionnement (moteur/générateur) des premier et deuxième convertisseurs 21 , 31 dépend de la condition de fonctionnement de la turbomachine 1 (qui est définie plus loin dans la description).

Les premier et deuxième convertisseurs 21 et 31 sont donc de préférence des machines électriques tournantes de type réversible aptes à fonctionner dans un mode moteur et dans un mode générateur. Dans le mode moteur, une machine électrique tournante transforme de l’énergie électrique prélevée sur le réseau électrique interne 14 en une énergie mécanique injectée sur l’arbre basse pression 11 ou l’arbre haute pression 12. A cet effet, le module électrique de puissance 22, 32 fonctionne dans un mode onduleur pour transformer une tension continue du réseau électrique interne 14 en une tension alternative polyphasée appliquée sur les phases de la machine électrique tournante correspondante.

Dans le mode générateur, une machine électrique tournante transforme de l’énergie mécanique prélevée sur l’arbre basse pression 11 ou l’arbre haute pression 12 en une énergie électrique injectée sur le réseau électrique interne 14 de la turbomachine 1. A cet effet, le module électrique de puissance 22, 32 fonctionne dans un mode redresseur pour transformer une tension alternative polyphasée générée par la machine électrique tournante en une tension continue appliquée sur le réseau électrique interne 14.

Les premier et deuxième convertisseurs 21 et 31 sont de préférence des machines de type synchrone à aimants permanents. Alternativement, les premier et deuxième convertisseurs 21 et 31 peuvent comprendre des machines électriques de type asynchrone ou tout autre type de machine électrique adapté à l'application.

Dans ce qui suit, l’invention sera principalement décrite dans le cas de fonctionnement où le premier convertisseur 21 , ou convertisseur HP 21 , fonctionne en mode générateur et le deuxième convertisseur, ou convertisseur BP 31 , fonctionne en mode moteur pour simplifier la description. Comme indiqué plus haut, le premier convertisseur 21 peut toutefois fonctionner en mode moteur et le deuxième convertisseur 31 peut fonctionner en mode générateur, en fonction de la condition de fonctionnement de la turbomachine 1.

Le cas échéant, le dispositif d'accouplement 30 peut intégrer une fonction mécanique de désaccouplement du convertisseur BP 31 notamment en cas de dysfonctionnement de cette dernière.

Le réseau électrique interne 14 de la turbomachine 1 est de préférence un réseau électrique continu.

Des modules électriques de puissance 22, 32 peuvent être reliés électriquement aux convertisseurs BP 31 et HP 21 . En l’espèce les modules électriques de puissance 22, 32 sont connectés électriquement au réseau électrique interne 14 de la turbomachine 1.

Dans l’exemple de réalisation illustré sur les figures, le flux de puissance est orienté de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 . Ainsi, une puissance mécanique de rotation de l’arbre haute pression 12 est convertie par le convertisseur HP 21 en puissance électrique alternative puis modulée par le module électrique de puissance 22 en tant que redresseur afin d’être transportée sous forme de puissance électrique continue jusqu’à l’onduleur 32 permettant d’obtenir en sortie une puissance électrique alternative convertie par le convertisseur BP 31 en une puissance mécanique de rotation transmise à l’arbre basse pression 11 .

Les moyens de détermination de la condition de fonctionnement 50 de la turbomachine 1 peuvent comprendre l’un au moins des moyens suivants, configurés pour mesurer et/ou estimer des paramètres donnés :

- un capteur de pression positionné au niveau du port amont 3 ;

- un calculateur configuré pour estimer une pression au niveau du deuxième port de prélèvement d’air 3, le calculateur pouvant mettre en oeuvre par exemple un algorithme ou une cartographie modélisant la turbomachine 1 obtenue par essais au sol ou par calculs.

Tout ou partie des paramètres mesurés et/ou estimés permettent ainsi de définir la condition de fonctionnement de l’aéronef. Le contrôleur 40 est configuré pour recevoir en entrée les paramètres mesurés et/ou estimés et envoyer des instructions de transfert au convertisseur HP 21 d’une puissance de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 en fonction de ces paramètres. Le niveau de puissance à prélever sur l’arbre haute pression 12 est estimé par le contrôleur 40 à partir de la valeur cible de pression à atteindre au niveau du port amont 3. Le contrôleur transmet alors, en sortie, une consigne de couple pour commander le convertisseur électromécanique 21 par l’intermédiaire du module électrique de puissance 22. Le module de puissance peut être dans un mode MLI ou pleine onde.

Procédé de contrôle E0 selon un mode de mise en oeuyre de l’invention

L’architecture hybridée avec un convertisseur HP 21 et un convertisseur BP 31 , permet des transferts de puissance pouvant être exploités afin d’augmenter, selon les phases de vol, la pression de l’air prélevé au niveau du port amont 3. Ainsi, le port amont 3 est « déplacé » virtuellement en fonction de la puissance transférée à l’arbre basse pression 11. Il est donc possible d’adapter au plus juste la pression au niveau du port amont 3 selon le besoin de pression de l’aéronef et/ou de placer le port amont 3 dans un étage du compresseur haute pression 5 plus en amont que dans les turbomachines conventionnelles.

Ainsi, lorsque le compresseur haute pression 5 comprend entre 6 et 12 étages, le port amont 3 peut être positionné entre le deuxième étage et le quatrième étage du compresseur haute pression 5, de préférence, au niveau du deuxième étage ou du troisième étage du compresseur haute pression 5. En effet, lorsque la pression au niveau du port amont 3 est trop faible pour assurer une pressurisation suffisante de la cabine, l’augmentation de la vitesse de rotation de l’arbre basse pression 11 grâce au contrôleur 40 et au convertisseur HP 21 permet d’augmenter la pression au niveau du port amont 3.

On notera que chaque condition de fonctionnement implique des conditions de pression au niveau de l’ensemble de compression différentes. Ainsi, pour un même étage d’un compresseur 4, 5, la pression peut changer à cet étage entre deux phases de vol. Donc, la pression au niveau des ports de prélèvement 3, 9 est modifiée, ce qui implique une augmentation de la consommation des équipements de régulation de l’air.

Par exemple, dans la configuration de la turbomachine 1 illustrée en figure 2a, le port amont 3 est placé de façon à ce que la pression d’admission soit à une valeur au voisinage d’une pression cible correspondant au besoin de l’aéronef pendant la phase de vol la plus contraignante, par exemple la phase d’attente ou de fin de croisière. Sur la figure 3a, Ce point correspond à une valeur de pression P1 se trouvant à la limite des besoins en pression représentée par une ligne horizontale à la valeur de pression P3.

Pendant la phase de vol de croisière, les conditions de fonctionnement de la turbomachine changent, notamment la pression au niveau de la section de compression. La pression requise par l’aéronef, représentée par la ligne horizontale à la valeur de pression P4, est alors inférieure à la pression effective P2 au niveau du port amont 3, qui est fixe dans le compresseur haute pression 5. Il existe alors un écart de pression AP entre le point de pression P2 et le besoin de pression P4, puisque la pression prélevée est trop importante par rapport à la pression requise P4. Cet écart de pression AP réduit cependant l’efficacité du compresseur haute pression 5 et provoque une surconsommation de carburant.

L’utilisation du convertisseur HP 21 permet de déplacer vers l’amont le port amont 3, de sorte que le point de pression P2 correspond à la valeur cible P4 en phase de croisière (qui correspond généralement à la phase de vol la plus longue au cours d’une mission), tout en compensant la pression manquante durant la phase de vol la plus contraignante en assurant une pression égale à la valeur cible P3 grâce au prélèvement de puissance sur l’arbre haute pression 12. La pression P2 au niveau du port amont 3 est donc égale à la pression P4 requise en phase de croisière, il n’est donc normalement pas nécessaire de prélever de la puissance sur l’arbre haute pression 12. En revanche, lors de la phase de vol la plus contraignante, le flux de puissance 13 transféré de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 permet de maintenir le point de fonctionnement à la pression P3. En effet, l’évolution de la pression dans le cas de l’architecture de la figure 2b est identique en figure 3a et en figure 3b.

Le procédé permettant de contrôler le convertisseur HP 21 et le convertisseur BP 31 de la turbomachine 1 , illustré en figure 4, présente les étapes suivantes.

Au cours d’une étape E1 , une condition de fonctionnement de la turbomachine est déterminée à partir des données issues des capteurs 50.

Au cours d’une étape E2, le contrôleur 40 compare la condition de fonctionnement ainsi déterminée (par exemple, la pression au niveau du port amont 3) à une condition de fonctionnement prédéfinie (par exemple la pression P3 ou P4) et pilote le cas échéant le convertisseur HP 21 et, optionnellement le convertisseur BP 31 , de façon à transférer une puissance de l’arbre haute pression 12 vers l’arbre basse pression 11 ou une puissance de l’arbre basse pression 11 vers l’arbre haute pression 12 en fonction de la condition de fonctionnement ainsi déterminée. La pression au niveau du port amont 3 est alors modifiée.

Les étapes E1 et E2 sont réitérées jusqu’à ce que la condition de fonctionnement déterminée corresponde à la condition de fonctionnement prédéfinie. Le procédé présente l’avantage d’économiser théoriquement jusqu’à 1 % du carburant transporté par l’aéronef. En avançant le port amont 3 d’un étage (par exemple un passage du quatrième au troisième étage d’un compresseur haute pression 5 de dix étages), l’économie de carburant peut atteindre 0.5%.

Procédé de dimensionnement E10 selon un mode de réalisation de l’invention

Il existe une position du port amont 3 pour laquelle, en phase de croisière, la pression au niveau du port amont 3 correspond à la pression correspondant au besoin de l’aéronef P4. Ce point implique de sous-dimensionner le port amont 3 lors des autres phases de vol et d’utiliser le transfert de puissance entre l’arbre haute pression 12 et l’arbre basse pression 11 pour maintenir la pression d’admission à la valeur cible de pression P3.

Le procédé de dimensionnement d’un ensemble de turbomachine 1 permettant de trouver cette position est illustré par l’organigramme en figure 5 dont chacune des étapes est détaillée ci-dessous.

Au cours d’une étape E10, une pression cible P4 est déterminée en phase de croisière. La pression cible P4 peut par exemple correspondre au besoin de pression de l’aéronef en phase de croisière.

Au cours d’une étape E11 , le port amont 3 est positionné dans la section de compression, par exemple dans le compresseur haute pression 5, de sorte que la pression au niveau du port amont 3 soit égale à la pression cible P4 en phase de croisière. Les niveaux de pressions au niveau de chaque étage du compresseur haute pression 5 sont cartographiés de manière précise, par essais au sol ou par des calculs, afin d’évaluer les niveaux de pression pour toutes les conditions de fonctionnement de la turbomachine 1 .

Un exemple de positionnement du port amont issu du procédé de dimensionnement est illustré en figure 3b.

En outre, le procédé ci-dessus permet de dimensionner le port amont mais également les convertisseurs HP 21 et BP 31 et les modules électriques de puissance 22, 32, connaissant la vitesse de rotation aux régimes de décollage et de montée de l’arbre haute pression 12 et de l’arbre basse pression 11 .