1. Domaine technique de l'invention

L'invention concerne la régulation des moteurs auxiliaires agencés au sein des architectures des hélicoptères multi-moteurs, et en particulier la régulation des moteurs auxiliaires adaptés pour fournir un surplus de puissance propulsive en complément de la puissance propulsive fournie par les moteurs principaux de l'hélicoptère.

2. Arrière-plan technologique

Les hélicoptères sont généralement équipés de moteurs principaux qui servent à la propulsion de l'hélicoptère et d'un ou plusieurs moteurs auxiliaires. Les moteurs auxiliaires sont des petites turbines à gaz (généralement désignés par l'acronyme anglais APU pour Auxiliary Power Unit) dont la fonction principale est de fournir de la puissance non propulsive - électrique, mécanique, hydraulique et/ou pneumatique - dans les phases de vol où les moteurs principaux ne sont pas en mesure de le faire (au sol, dans les phases de décollage ou d'atterrissage, dans les phases de recherche, etc.).

II a également été proposé par le demandeur, notamment dans la demande de brevet FR 2 992 024, d'utiliser les moteurs auxiliaires, non seulement pour fournir de la puissance non propulsive, mais également pour apporter, dans certaines phases du vol, un surplus de puissance propulsive, en complément de la puissance propulsive des moteurs principaux.

Dans le cadre d'une telle utilisation d'un moteur auxiliaire, à la fois pour la fourniture de puissances propulsive et non propulsive, l'une des difficultés qui se pose maintenant est de pouvoir réguler ce moteur auxiliaire avec un statisme faible et maîtrisé, de manière à pouvoir adapter la puissance propulsive délivrée par ce moteur en fonction des conditions de vol de l'hélicoptère. Il se pose notamment le problème de pouvoir réguler le moteur auxiliaire sans impacter le fonctionnement des moteurs principaux.

3. Objectifs de l'invention

L'invention vise donc à fournir un dispositif et un procédé de régulation d'un moteur auxiliaire d'un hélicoptère adapté pour fournir de la puissance propulsive en complément des moteurs principaux.

L'invention vise en particulier à fournir un dispositif et un procédé de régulation d'un moteur auxiliaire qui ne nécessite pas d'équilibrage avec les moteurs principaux de l'hélicoptère.

L'invention vise aussi à fournir un dispositif et un procédé de régulation d'un moteur auxiliaire qui n'impacte pas le fonctionnement et les performances des moteurs principaux. En d'autres termes, l'invention vise à fournir un procédé de régulation qui est transparent pour le pilote de l'hélicoptère.

L'invention vise aussi à fournir une architecture d'un hélicoptère comprenant un dispositif de régulation selon l'invention.

4. Exposé de l'invention

Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif de régulation d'un moteur auxiliaire comprenant un générateur de gaz et une turbine libre adaptée pour pouvoir être reliée mécaniquement au rotor d'un hélicoptère pour lui fournir une puissance propulsive en complément d'une puissance propulsive fournie par des moteurs principaux.

Un dispositif de régulation selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un régulateur proportionnel-intégral présentant un gain proportionnel et un gain intégral, fonctions de la vitesse de rotation dudit générateur de gaz dudit moteur auxiliaire de l'hélicoptère, ledit régulateur étant configuré pour recevoir un signal représentatif d'une erreur de vitesse de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire, dit signal d'erreur, et pour générer un signal de correction de la vitesse d'entraînement dudit générateur de gaz dudit moteur auxiliaire, ledit signal de correction étant obtenu par l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur suivant ledit gain proportionnel, et d'un signal, dit signal intégré, résultant de l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur suivant ledit gain intégral et d'un signal, dit signal mémoire, fournit par une boucle de rétroaction dudit signal intégré, ledit signal mémoire étant dépendant d'une mesure représentative de la vitesse de rotation de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire.

Un dispositif de régulation d'un moteur auxiliaire selon l'invention permet donc de réguler la vitesse de fonctionnement du moteur auxiliaire sans nécessiter un échange de données entre ce moteur auxiliaire et les moteurs principaux de l'hélicoptère. En particulier, un dispositif de régulation selon l'invention permet une régulation de la puissance propulsive fournie par le moteur auxiliaire au rotor de l'hélicoptère sans imposer un équilibrage avec les moteurs principaux. Le dispositif de régulation est autonome et se fonde uniquement sur la vitesse de rotation de la turbine libre et la vitesse de rotation du générateur de gaz du moteur auxiliaire.

En entrée, le dispositif de régulation reçoit un signal d'erreur qui est obtenu par exemple par un soustracteur apte à calculer la différence entre une vitesse de consigne et une mesure de la vitesse de la turbine libre.

Un signal de correction est alors déterminé par l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur, et d'un signal, dit signal intégré, ledit signal intégré étant obtenu par l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur suivant ledit gain intégral et d'un signal, dit signal mémoire, fournit par une boucle de rétroaction dudit signal intégré, ledit signal mémoire étant dépendant d'une mesure représentative de la vitesse de rotation de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire.

Avantageusement et selon l'invention, ladite boucle de rétroaction comprend :

- un premier circuit configuré pour fournir un signal mémoire qui est une image dudit signal intégré,

- un deuxième circuit configuré pour fournir un signal mémoire proportionnel audit signal intégré suivant un gain, dit gain d'annulation, inférieur à 1,

- un sélecteur configuré pour sélectionner ledit premier circuit ou ledit deuxième circuit en fonction des résultats d'un test sur une mesure représentative de la vitesse de rotation de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire.

Selon cette variante, le signal intégré qui est obtenu par l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur et d'un signal mémoire, est obtenu soit par une régulation intégrale classique (premier circuit de la boucle de rétroaction), soit par une régulation intégrale compensée (deuxième circuit de la boucle de rétroaction, aussi désigné dans la suite comme le circuit de compensation) dont la boucle de retour est corrigée d'un gain d'annulation de la mémoire. Le choix entre les deux types de régulation s'effectue suivant un test sur une mesure représentative de la vitesse de rotation de la turbine libre dudit moteur auxiliaire.

En d'autres termes, selon cette variante avantageuse, la régulation intégrale fournit une correction qui est soit une image de l'erreur intégrée de façon classique (premier circuit de la boucle), soit une correction qui tend à s'annuler (circuit de compensation). Dans le premier cas, le dispositif de régulation se comporte alors comme un régulateur proportionnel-intégral classique. Dans le second cas, le signal en sortie d'intégrateur s'annule progressivement lorsque l'erreur d'asservissement de la vitesse de rotation de la turbine libre est faible (car régulée par les moteurs principaux) et le dispositif de régulation permet une régulation du moteur sur le point de fonctionnement cible choisi. En d'autres termes, un dispositif de régulation selon cette variante présente deux modes de fonctionnement dépendant des résultats d'un test sur une mesure représentative de la vitesse de rotation de la turbine libre du moteur auxiliaire.

Avantageusement et selon l'invention, ledit test réalisé par ledit sélecteur consiste à comparer ledit signal d'erreur avec un seuil de statisme prédéterminé de sorte à pouvoir activer ledit premier circuit si l'erreur de vitesse est supérieure audit seuil de statisme prédéterminé et à activer ledit deuxième circuit si l'erreur de vitesse est inférieure audit seuil, de manière à ce que ledit signal intégré s'annule progressivement.

Selon cette variante, si l'erreur de régulation est supérieure au seuil de statisme prédéterminé, le régulateur se comporte comme un régulateur proportionnel-intégral classique. En revanche, si l'erreur de régulation est inférieure au seuil de statisme prédéterminé, le régulateur peut entraîner le moteur auxiliaire à fonctionner sur le point de fonctionnement cible choisi, par exemple au niveau de son anticipation de puissance.

En d'autres termes, pour une phase de vol sans variation rapide de la puissance nécessaire, le dispositif de régulation permet, en annulant progressivement l'intégrateur, de réguler le moteur sur le point de fonctionnement choisi.

Pour une phase de vol nécessitant une variation rapide de puissance, le régulateur retrouve un comportement de régulateur proportionnel-intégral classique.

Selon une autre variante, ledit gain d'annulation de ladite deuxième boucle est fonction de l'erreur de vitesse de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire.

Selon cette variante, le gain d'annulation est une fonction de l'erreur de la vitesse de la turbine libre du moteur auxiliaire, ce qui permet de supprimer le sélecteur à condition de seuil.

Avantageusement, un dispositif de régulation selon l'invention, comprend en outre un additionneur configuré pour additionner ledit signal de correction généré par ledit régulateur proportionnel-intégral et un signal correspondant à un point de fonctionnement cible dudit moteur auxiliaire dépendant desdites conditions de vol de l'hélicoptère, pour fournir un signal de consigne audit générateur de gaz dudit moteur auxiliaire.

L'invention concerne également une architecture d'un hélicoptère multi- moteurs comprenant un groupe de puissance propulsive comprenant des moteurs principaux adaptés pour être reliés à une boite de transmission de puissance entraînant un rotor de l'hélicoptère, et un moteur auxiliaire comprenant un générateur à gaz et une turbine libre, ledit moteur auxiliaire étant adapté pour pouvoir être relié d'une part à un réseau de bord de l'hélicoptère pour pouvoir alimenter au sol ledit réseau de bord en énergie électrique, et d'autre part audit groupe de puissance propulsive pour pouvoir apporter un surplus de puissance propulsive au cours d'un vol de l'hélicoptère.

Une architecture selon l'invention est caractérisée en ce que ladite architecture comprend en outre un dispositif de régulation dudit moteur auxiliaire selon l'invention, de manière à pouvoir adapter au cours d'un vol de l'hélicoptère la puissance propulsive fournie par ledit moteur auxiliaire audit groupe de puissance propulsive, indépendamment de tout équilibrage entre lesdits moteurs principaux et le moteur auxiliaire.

Une architecture selon l'invention permet de disposer d'un moteur auxiliaire qui fournit de la puissance non propulsive, et notamment électrique, au réseau de bord de l'hélicoptère, lorsque l'hélicoptère est au sol, et qui fournit de la puissance propulsive au cours de certaines phases de vol, cette puissance propulsive étant régulée sans nécessiter un équilibrage de puissance avec les moteurs principaux de l'hélicoptère.

Une architecture selon l'invention est donc particulièrement performante et permet d'optimiser l'utilisation d'un moteur auxiliaire sans néanmoins impacter le fonctionnement des autres organes de l'architecture, et notamment les moteurs principaux.

L'invention concerne également un hélicoptère comprenant une architecture selon l'invention.

L'invention concerne également un procédé de régulation d'un moteur auxiliaire adapté pour fournir de la puissance propulsive à un rotor d'hélicoptère, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :

- réception d'un signal représentatif d'une erreur de vitesse de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire, dit signal d'erreur,

- génération d'un signal de correction de la vitesse d'entraînement dudit générateur de gaz dudit moteur auxiliaire résultant de l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur suivant un gain proportionnel, et d'un signal, dit signal intégré, résultant de l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur suivant un gain intégral et d'un signal, dit signal mémoire, dépendant d'une mesure représentative de la vitesse de rotation de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire.

Avantageusement et selon l'invention, ledit signal mémoire est un signal obtenu par une sélection entre un signal image dudit signal intégré et un signal proportionnel audit signal intégré suivant un gain, dit gain d'annulation, inférieur à 1, la sélection dépendant des résultats d'un test sur une mesure représentative de la vitesse de rotation de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire.

En d'autres termes, selon cette variante, la régulation intégrale est une régulation obtenue par une sélection entre une régulation intégrale classique et une régulation intégrale, dite de compensation, obtenue en rebouclant l'intégrateur avec un gain inférieur à 1, la sélection dépendant des résultats d'un test sur une mesure représentative de la vitesse de rotation de la turbine libre dudit moteur auxiliaire.

Avantageusement et selon l'invention, ledit test de sélection consiste à comparer ledit signal d'erreur avec un seuil de statisme prédéterminé et à choisir ledit signal image du signal intégré si l'erreur de vitesse, en valeur absolue, est supérieure audit seuil de statisme prédéterminé et à choisir ledit signal proportionnel audit signal intégré suivant ledit gain d'annulation si l'erreur de vitesse, en valeur absolue, est inférieure audit seuil.

En d'autres termes, la régulation intégrale classique est choisie si l'erreur de vitesse est supérieure audit seuil de statisme prédéterminé et la régulation intégrale compensée est choisie si l'erreur de vitesse est inférieure audit seuil.

Le dispositif de régulation selon l'invention met avantageusement en œuvre le procédé de régulation selon l'invention, et le procédé de régulation selon l'invention est avantageusement mis en œuvre par un dispositif de régulation selon l'invention.

L'invention concerne également un dispositif de régulation, une architecture, un hélicoptère et un procédé de régulation caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci- après.

5. Liste des figures

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de régulation selon un mode de réalisation de l'invention selon un premier mode de fonctionnement,

- la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de régulation selon un mode de réalisation selon un second mode de fonctionnement,

- la figure 3 est une vue schématique d'une architecture d'un hélicoptère selon un mode de réalisation de l'invention,

- la figure 4 est une vue schématique d'un hélicoptère selon un mode de réalisation de l'invention,

- la figure 5 est une vue schématique d'un procédé de régulation selon un mode de réalisation de l'invention.

6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Sur la figure, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté.

La figure 3 illustre de manière simplifiée une architecture d'un hélicoptère bimoteurs selon un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 3, seul un moteur 10 principal est représenté à des fins de clarté, l'autre moteur étant identique et relié symétriquement à une boite 11 de transmission de puissance, elle-même reliée au rotor 12 de l'hélicoptère. Les moteurs principaux, tel que le moteur principal 10 représenté, comportent un générateur de gaz 20 formé d'un ensemble constitué d'un compresseur 21 couplé à une chambre de combustion 22, elle-même couplée à une turbine 23. Le moteur comporte également une turbine libre 3 entraînant un arbre de transmission de puissance 31. Le générateur de gaz 20 et la turbine libre 3 sont disposés entre une entrée d'air 14 et une tuyère d'échappement des gaz 15.

En fonctionnement, la chambre 22 est alimentée en carburant par des injecteurs 24, dans lesquels de l'air comprimé par le compresseur 21 est également aspiré. La combustion du mélange air/carburant dans la chambre 22 fournit des gaz énergétiques de vélocité élevée. Ces gaz chauds sont détendus d'abord dans la turbine 23 qui entraîne mécaniquement le compresseur 21 via un arbre haute-pression 25 d'entraînement, puis dans la turbine libre 3.

Le moteur principal 10 transmet de la puissance mécanique au rotor 12 de l'hélicoptère et à des équipements ou accessoires via une boîte de réduction de vitesse 6, elle-même reliée à une boite 11 de transmission de puissance.

L'architecture selon l'invention comprend également un moteur auxiliaire

8 qui comporte, comme les moteurs principaux, un générateur de gaz 81 comprenant un compresseur 8a, une chambre de combustion 86 et une turbine 8c. Le moteur auxiliaire comprend également une turbine libre 8d. L'arbre d'entraînement 82 de la turbine libre 8d du moteur auxiliaire 8 est couplé à une génératrice électrique 83 qui transforme l'énergie mécanique transmise par l'arbre 82 en énergie électrique. Le moteur auxiliaire 8 est donc capable de fournir de l'énergie électrique non propulsive à un réseau 9 de bord de l'hélicoptère.

Le moteur auxiliaire est également relié à la boite 11 de transmission de puissance par un mécanisme 84 débrayable commandé de manière à pouvoir fournir, sur commande, de la puissance propulsive au rotor de l'hélicoptère, dans certaines phases du vol de l'hélicoptère.

L'architecture comprend en outre un dispositif de régulation 7 de la vitesse du moteur auxiliaire 8. Ce dispositif 7 de régulation reçoit une information représentative de la vitesse 7a du rotor de l'hélicoptère, une information représentative de la vitesse 7b de rotation de la turbine libre 8d du moteur auxiliaire 8 et fournit en sortie une consigne 7c de vitesse. Cette consigne de vitesse est par exemple convertie en une consigne de carburant injecté dans la chambre 86 de combustion.

Dans la suite, le dispositif de régulation 7 va être expliqué en détail, notamment en lien avec les figures 1 et 2.

Le dispositif de régulation 7 comprend un régulateur proportionnel- intégral 30 présentant un gain proportionnel Kp et un gain intégral Ki, fonctions de la vitesse de rotation du générateur de gaz 8a du moteur auxiliaire 8.

Le régulateur 30 est configuré pour recevoir un signal Se représentatif d'une erreur de vitesse 7b de la turbine libre 8d du moteur auxiliaire 8. Ce signal Se est désigné dans tout le texte par les termes de signal d'erreur. Le régulateur 30 est en outre configuré pour générer un signal de correction Se de la vitesse d'entraînement du générateur de gaz 81 du moteur auxiliaire 8.

Pour ce faire, le régulateur 30 comprend un module proportionnel comprenant un gain proportionnel Kp de manière à fournir un signal proportionnel Sp au signal d'erreur. Le régulateur 30 comprend également un module intégral comprenant un gain intégral Ki et une boucle de rétroaction 31 de manière à fournir un signal intégré Si. Les gains Kp et Ki sont fonctions de la vitesse de rotation du générateur de gaz 81 du moteur auxiliaire 8.

La boucle 31 de rétroaction du module intégral comprend deux circuits 41,

42 et un sélecteur 33 configuré pour définir lequel des deux circuits doit être activé suivant les conditions. Les premier et deuxième circuits 41, 42 partagent en commun la partie 40 de la boucle 31 de rétroaction qui véhicule une image du signal Si jusqu'à chacun des deux circuits.

Le premier circuit 41 est configuré pour fournir un signal mémoire Sm qui est une image du signal Si intégré,

Le deuxième circuit 42 est configuré pour fournir un signal Sm mémoire proportionnel audit signal Si intégré suivant un gain Ka d'annulation, inférieur à 1, de telle manière que le signal intégré Si obtenu en sorti du module intégrateur s'annule progressivement lorsque l'erreur d'asservissement est faible. Ce deuxième circuit 42 forme donc un circuit de compensation.

Le sélecteur 33 est configuré pour sélectionner le premier circuit ou le deuxième circuit en fonction des résultats d'un test sur une mesure représentative de la vitesse de rotation de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire.

Le signal intégré Si est donc obtenu soit par une régulation intégrale classique soit par une régulation intégrale compensée dont la boucle de retour est corrigée d'un gain d'annulation Ka, ce choix s'effectuant sur la base d'un critère basé sur une mesure représentative de la vitesse de rotation de la turbine libre du moteur auxiliaire.

La boucle 31 de rétroaction comprend en outre un temporisateur 34 pour décaler dans le temps le signal intégré Si qui est fournit à chacun des deux circuits 41, 42.

Le sélecteur 33 comprend deux entrées : une entrée reliée au circuit de compensation 42 et une entrée reliée au premier circuit 41. Le sélecteur comprend une sortie délivrant le signal mémoire Sm sélectionné.

Le sélecteur 33 comprend en outre un comparateur configuré pour comparer le signal d'erreur Se avec un seuil So de statisme prédéterminé.

Le sélecteur est configuré pour relier l'entrée du sélecteur reliée au premier circuit à la sortie si le comparateur indique que l'erreur de vitesse, en valeur absolue, est supérieure au seuil de statisme prédéterminé. Autrement dit, le sélecteur fournit le signal intégré Si comme signal mémoire Sm si l'erreur de vitesse, en valeur absolue, est supérieure au seuil de statisme prédéterminé.

Le sélecteur est également configuré pour relier l'entrée reliée au circuit de compensation à la sortie si le comparateur indique que l'erreur de vitesse, en valeur absolue, est inférieure au seuil de statisme prédéterminé. Autrement dit, le sélecteur fournit le signal délivré par le circuit de compensation comme signal Sm mémoire si l'erreur de vitesse est inférieure, en valeur absolue, audit seuil So. Dans ce cas, le signal intégré Si, en sortie d'intégrateur s'annule progressivement.

La figure 1 est une vue schématique du dispositif de régulation sur laquelle le sélecteur est basculé dans la position correspondant à la compensation mise en œuvre par le circuit de compensation. Autrement dit, la sortie du sélecteur fournit le signal mémoire visant à annuler le signal intégré Si. La figure 2 est une vue schématique du dispositif de régulation sur laquelle le sélecteur est basculé dans la position de non compensation. Autrement dit, la sortie du sélecteur fournit le signal intégré. Les deux positions - de compensation et de non compensation - sont schématisées par la position de l'interrupteur 36.

Le dispositif de régulation comprend également un additionneur 50 configuré pour additionner le signal de correction Se généré par le régulateur proportionnel-intégral 30 et un signal Sa correspondant à un point de fonctionnement cible du moteur auxiliaire dépendant des conditions de vol de l'hélicoptère, pour fournir un signal de consigne Scons au générateur de gaz du moteur auxiliaire. Selon un autre mode de réalisation non représenté sur les figures, le gain d'annulation du circuit de compensation est fonction de l'erreur de vitesse de rotation de la turbine libre du moteur auxiliaire, ce qui permet de remplacer le sélecteur 33 et la condition de seuil So.

La figure 4 est une vue schématique d'un hélicoptère comprenant deux moteurs principaux 10, 16, et un moteur 8 auxiliaire reliés à une boite de transmission de puissance 11. Le moteur 8 auxiliaire est régulé par un dispositif de régulation selon l'invention.

La figure 5 est une vue schématique d'un procédé de régulation selon un mode de réalisation de l'invention.

Il comprend une étape 61 de réception d'un signal représentatif d'une erreur de vitesse de ladite turbine libre dudit moteur auxiliaire, dit signal d'erreur, et une étape 62 de génération d'un signal de correction de la vitesse d'entraînement du moteur auxiliaire résultant de l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur, et d'un signal, dit signal intégré, résultant de l'addition d'un signal proportionnel audit signal d'erreur suivant un gain intégral Ki et d'un signal, dit signal Sm mémoire, dépendant d'une mesure représentative de la vitesse de rotation de ladite turbine libre dudit moteur 8 auxiliaire.

Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en œuvre par un dispositif de régulation selon l'invention et un dispositif de régulation selon l'invention met avantageusement en œuvre un procédé selon l'invention.