TITRE : Procédé de gestion du couple d’une turbomachine

Domaine technique

La présente invention concerne, de manière générale, les turbomachines pour aéronef, et notamment les turbomachines équipées d’une soufflante ou d’une hélice à calage variable connectée à une turbine par l’intermédiaire d’un arbre et d’un réducteur et, plus précisément, la gestion des pics de couple survenant lors du fonctionnement de telles turbomachines.

Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un procédé de gestion du couple d’une turbomachine comportant une turbine connectée à une soufflante ou à une hélice à calage variable par un arbre et un réducteur.

Etat de la technique

La survenue de pics de couple lors du fonctionnement d’une turbomachine comportant une soufflante ou une hélice à calage variable, reliée à une turbine par l’intermédiaire d’un arbre et d’un réducteur, sont préjudiciables pour le réducteur. En effet, les pics de couple ont un impact sur sa tenue mécanique de ses composantes, en particulier les dentures, les paliers et les pièces de structure.

Pour supporter les pics de couples, le réducteur peut être redimensionné. Les dents peuvent être renforcés, les roulements augmentés en taille et en nombre d’éléments roulants, et les pièces de structure épaissies afin de garantir la fiabilité du réducteur.

Cependant, cela a pour conséquence d’ augmenter de manière significative la masse du réducteur, ce qui est incompatible avec les démarches actuelles de réduction de la masse d’un aéronef.

Une solution pour ne pas augmenter la masse du réducteur est de prévoir et détecter l’ apparition de pics de couple afin de baisser le niveau de couple moyen vu par le réducteur juste avant l’occurrence du pic de couple. Cette détection, prédiction et baisse de couple moyen est classiquement réalisée à partir d’une mesure du couple sur l’ arbre sur lequel est monté le réducteur et la turbine, ainsi qu’un contrôle du calage, c’ est-à-dire de l’ angle d’inclinaison des pales de la soufflante ou de l’hélice à calage variable.

Néanmoins, les pics de couples subsistent. Le temps de réponse du contrôle de calage ne suffit pas à rejeter les perturbations les plus rapides sur le couple liées aux variations de prélèvements de l’ aéronef et aux variations d’incidence et de mach, notamment lors du décollage et en montée.

Exposé de l’invention

L ’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un procédé permettant diminuer le couple d’une turbine de turbomachine connectée par l’intermédiaire d’un arbre et d’un réducteur à une soufflante ou une hélice à calage variable lorsqu’un pic de couple survient, et cela dans un temps suffisamment court afin de réduire le couple transmis au réducteur et protéger ce dernier, sans qu’il soit nécessaire de redimensionner et augmenter la masse de la turbomachine.

Il est donc proposé un procédé de gestion du couple d’une turbomachine d’aéronef comportant une soufflante ou une hélice à calage variable reliée à une turbine par un arbre et un réducteur, et une génératrice électrique connectée à l’ arbre, le procédé comprenant les étapes suivantes : la mesure du couple sur l ’arbre à partir d’un capteur de couple ; lorsque la survenue d’un pic de couple est mesurée par le capteur de couple, le calcul d’une consigne de freinage de la turbine par un système de commande en fonction du couple mesuré ; et en réponse à la consigne de freinage, le prélèvement et le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique vers une charge.

Par charge, on entend un dispositif électrique raccordé à la turbomachine.

On pourra prévoir que le prélèvement et le transfert de puissance soit effectué vers une pluralité de charges. Avantageusement, la consigne de freinage peut être calculée en fonction de l’ écart entre le couple mesuré et une consigne de couple maximal.

Selon un mode de réalisation, la charge peut être une charge dissipative, le procédé comprenant l’ ajustement par le système de commande d’une résistance de la charge dissipative pour le prélèvement de puissance électrique de la génératrice électrique vers la charge dissipative.

Par charge dissipative, un dispositif électrique raccordé à la turbomachine destiné à absorber de l’ énergie électrique afin de la dissiper.

De préférence, la consigne de freinage est calculée en fonction de la capacité thermique de la charge dissipative.

Selon un mode de mise en œuvre, la charge dissipative peut être formée par la génératrice électrique et la résistance est la résistance interne de la génératrice électrique constituée par son bobinage.

De préférence, lors du prélèvement de puissance électrique par la résistance interne de la génératrice électrique, la génératrice électrique est court-circuitée du réseau électrique de l’ aéronef.

De préférence, un contrôle de calage de la soufflante ou de l’hélice à calage variable est effectué par le système de commande en parallèle de l’ ajustement de la résistance de la charge dissipative.

Selon un mode de réalisation, le procédé peut comprendre le prélèvement et le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique vers un dispositif électrique de stockage ou un consommateur électrique.

On pourra prévoir qu’ en réponse à la consigne de freinage, le prélèvement et le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique soit effectué vers une ou plusieurs charges, incluant un ou plusieurs dispositifs électriques de stockage et/ou un ou plusieurs consommateurs électriques et/ou plusieurs charges dissipatives.

L ’invention concerne également une turbomachine d’ aéronef comportant une soufflante ou une hélice à calage variable reliée à une turbine par un arbre et un réducteur, et une génératrice électrique connectée à l’ arbre, la turbomachine comprenant : un capteur de couple configuré pour mesurer le couple sur l’ arbre ; un système de commande configuré pour calculer une consigne de freinage de la turbine lorsque la survenue d’un pic de couple est mesurée par le capteur de couple, et configuré pour prélever et transférer de la puissance électrique de la génératrice électrique vers une charge en réponse à la consigne de freinage.

Dans un mode de réalisation, la charge peut être une charge dissipative, le système de commande étant configuré pour ajuster une résistance de la charge dissipative en réponse à la consigne de freinage pour le prélèvement de puissance électrique de la génératrice électrique vers la charge dissipative.

De préférence, le système de commande est configuré pour calculer la consigne freinage en fonction de la capacité thermique de la charge dissipative.

Selon un mode de réalisation, la charge dissipative peut être formée par la génératrice électrique.

Avantageusement, le système de commande peut inclure un calculateur de la génératrice électrique configuré pour calculer la consigne de freinage et ajuster la résistance interne de la génératrice électrique en réponse à la consigne de freinage.

Selon un mode de réalisation, le système de commande peut être configuré pour le prélèvement et le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique vers un dispositif électrique de stockage ou un consommateur électrique. Dans ce cas, la charge est formée par le dispositif électrique de stockage ou le consommateur.

On pourra prévoir qu’ en réponse à la consigne de freinage, le système de commande soit configuré pour le prélèvement et le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique vers une ou plusieurs charges, incluant un ou plusieurs dispositifs électriques de stockage et/ou un ou plusieurs consommateurs électrique et/ou plusieurs charges dissipatives.

L ’invention concerne également un aéronef comprenant au moins une turbomachine comme précédemment décrit. Brève description des dessins

D ’ autres buts, avantages et caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig 1 ] illustre schématiquement une turbomachine d’aéronef selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig 2] illustre schématiquement une génératrice électrique connectée à une charge dissipative d’une turbomachine selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig 3] illustre une logique de freinage selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig 4] illustre une logique de protection contre la surchauffe de la charge dissipative selon un mode de réalisation de l’invention.

Par ailleurs, l’ expression « au moins un » utilisée dans la présente description est équivalente à l’ expression « un ou plusieurs ».

[Fig 5] illustre une logique de freinage selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Exposé détaillé d’un mode de réalisation

La figure 1 illustre schématiquement une turbomachine 1 d’ aéronef.

Dans l’ exemple illustré, la turbomachine comprend un corps haute pression 2 comportant un compresseur haute pression et une turbine haute pression, et un corps basse pression 3 comportant un compresseur basse pression 4 et une turbine basse pression 5.

Le corps basse pression 3 est connecté à une soufflante 6 par l’intermédiaire d’un arbre 7 et d’un réducteur 8.

En variante, la soufflante 6 peut être substituée par une hélice à calage variable.

De plus, une génératrice électrique 9 reliée à l’ arbre 7 est disposée en aval de la turbine basse pression 5 et comporte un rotor 9a et un stator 9b.

On pourra prévoir que la génératrice électrique 9 soit disposée en amont de la turbine basse pression 5 , par exemple en périphérie de la soufflante 6. La turbomachine 1 comprend un capteur de couple 10 configuré pour mesurer le couple sur l’ arbre 7, avantageusement le couple à l’ entrée du réducteur 8, ou le couple entre la soufflante 6 et la sortie du réducteur 8, ou encore entre le compresseur basse pression 4 et la turbine basse pression 5. La turbomachine 1 comprend également un système de commande configuré pour calculer une consigne de freinage de la turbine basse pression 5 lorsque la survenue d’un pic de couple est mesurée par le capteur de couple 10.

Par consigne de freinage, on entend une consigne de limitation du couple entre la turbine, dans cet exemple la turbine basse pression 5 , et la soufflante 6.

En outre, le système de commande est configuré pour ajuster la résistance 1 1 d’une charge dissipative 12, visible à la figure 2. De préférence, la résistance 1 1 est une résistance variable.

En particulier, le système de commande peut être apte à ajuster le couple sur l’ arbre 7 du corps basse pression 3 en fonction de la consigne de freinage de façon à prélever une partie de la puissance électrique de la génératrice électrique 9 vers la charge dissipative 12.

Dans l’ exemple illustré, le système de commande comporte un calculateur de régulation 13 configuré pour calculer la consigne de freinage et un calculateur de contrôle de couple 14 configuré pour ajuster la résistance 1 1 de la charge dissipative 12.

Le calculateur de régulation 13 est relié au capteur de couple 10 et au calculateur de contrôle de couple 14 par liaison électrique, qui peut être analogique ou numérique.

De préférence, le calculateur de régulation 13 est configuré pour contrôler le calage de la soufflante 6.

Selon un autre mode de réalisation, la charge dissipative 12 peut être formée par la génératrice électrique 9.

Dans ce cas, on pourra prévoir que le système de commande inclut un calculateur de la génératrice électrique 9 configuré pour calculer la consigne de freinage et ajuster la résistance interne de la génératrice électrique 9 en réponse à la consigne de freinage. La résistance interne ou résistance de court-circuit de la génératrice électrique 9 permet au courant électrique de circuler dans les bobinages et ainsi transformer la puissance en énergie thermique dissipée par les bobinages.

L ’invention concerne également un procédé de gestion du couple de la turbomachine 1 d’ aéronef comprenant la mesure du couple sur l’ arbre 7 à partir du capteur de couple 10.

Dans l’ exemple illustré, le couple considéré est le couple d’entraînement du corps basse pression 3 transmis par l’ arbre 7.

De préférence, le couple sur l’ arbre 7 est mesuré en continu lors du fonctionnement de la turbomachine 1.

Lorsque la survenue d’un pic de couple est mesurée par le capteur de couple 10, une consigne de freinage de la turbine basse pression 5 est calculée par le système de commande à partir du couple mesuré.

La survenue d’un pic de couple peut être détectée par la mesure d’une perturbation du couple, tel qu’un phénomène transitoire, par le capteur de couple 10.

Par pic de couple, on entend une augmentation soudaine du couple au-delà d’une valeur seuil maximale.

Comme cela est illustré à la figure 2, dans l ’ exemple illustré, la consigne de freinage est calculée par le calculateur de régulation 13 puis communiquée au calculateur de contrôle de couple 14.

En réponse à la consigne de freinage, le calculateur de contrôle de couple 14 ajuste la résistance 1 1 de la charge dissipative 12 de sorte qu’une partie de la puissance électrique de la génératrice électrique 9 soit dissipée vers la charge dissipative 12.

Il résulte de la dissipation de courant de la génératrice électrique 9 au travers de la charge dissipative 12 une limitation du couple de la turbine basse pression 5.

La turbine basse pression 5 entraîne la soufflante 6 par l’intermédiaire de l’ arbre 7 de sorte que la limitation du couple de la turbine basse pression 5 permet de réduire le couple de la soufflante 6 et, par conséquent, réduire le couple transmis au réducteur 8.

La consigne de couple maximal, avantageusement fixe, est déterminée en fonction des limites du réducteur 8 de façon à optimiser sa durée de vie. Dans l’ exemple illustré, le système de commande comporte un régulateur proportionnel intégral différentiel dit régulateur PID, sans composante intégrale.

La figure 3 illustre une logique de freinage destinée à repousser le couple de la turbine basse pression 5 au-dessous d’une limitée fixée 15 par dissipation de courant de la génératrice électrique 9 vers la charge dissipative 12.

Dans l’ exemple illustré, la consigne de freinage est calculée en fonction de l’écart entre le couple mesuré 16 par le capteur de couple 10 et une consigne de couple maximal 17.

La logique de freinage intègre une composante proportionnelle 18 et une composante dérivée 19 du régulateur PID desquelles découlent respectivement un gain proportionnel et un gain dérivé sur la consigne de freinage.

Il en résulte une consigne de freinage se traduisant par une consigne de prélèvement de couple 19 sur la génératrice électrique 9.

Comme cela est illustré à la figure 4, le procédé de gestion du couple intègre de préférence, en outre de la logique de freinage, une logique de protection 20 de la charge dissipative 12 contre la surchauffe.

A cet égard, la consigne de freinage peut être calculée en fonction de la capacité thermique de la charge dissipative 12.

La capacité thermique est égale à la différence entre une température estimée 21 de la charge dissipative 12 et une température limite 22 de la charge dissipative 12.

La température limite 22 est une constante représentant la limite de température à ne pas dépasser incluant une marge de sécurité.

La température estimée 21 est calculée à partir de la consigne de prélèvement de couple 19. Un filtre du premier ordre 23 peut être utilisé pour estimer la thermique à grosse maille, mais cette modélisation peut être réalisée avec des modèles non linéaires, tabulés, d’ordres supérieurs, et/ou basés sur d’ autres informations comme la capacité de refroidissement.

Un gain proportionnel 24 de la logique de protection 20 de la charge dissipative 12 contre la surchauffe conduit à l’obtention une consigne de limitation 25 du couple prélevé sur la génératrice électrique 9. La consigne de prélèvement de couple 19 est avantageusement calculée en fonction de la logique de protection 20 de la charge dissipative 12 contre la surchauffe.

Il en résulte une saturation de la consigne de freinage proportionnellement à la capacité thermique.

Dans l’ exemple illustré, la logique de protection 20 de la charge dissipative 12 contre la surchauffe ne comporte pas de composante dérivée compte tenu de la dynamique thermique lente.

Ceci permet de limiter le couple prélevé en fonction des limites thermiques de la charge dissipative 12.

Selon un autre mode de réalisation, la charge dissipative 12 peut être formée par la génératrice électrique 9 si toutefois la génératrice électrique 9 est capable d’ absorber l’ énergie associée au couple prélevée de la turbine basse pression 5 sans générer de feu. La résistance 12 ajustée pour répondre à la consigne de freinage est alors la résistance interne de la génératrice électrique 9.

Dans le cas où la charge dissipative 12 est formée par la génératrice électrique 9, la génératrice électrique 9 sera, de préférence, court-circuitée de façon à être déconnectée du réseau électrique de l’ aéronef. Il est ainsi possible de protéger les consommateurs présents sur le réseau électrique.

A cet égard, la turbomachine 1 peut comprendre un relais de commutation apte à court-circuiter la génératrice électrique 9 du réseau électrique de l’ aéronef.

On pourra également prévoir que la consigne de freinage soit calculée et la résistance interne de la génératrice électrique 9 soit ajustée par le calculateur de la génératrice électrique 9. Le calculateur de régulation 13 pourra alors être configuré pour contrôler le calage de la soufflante 6 et communiquer au calculateur de la génératrice électrique 9 la mesure du couple relevée par le capteur de couple 10.

De préférence, en parallèle de l’ ajustement de la résistance 1 1 de la charge dissipative 12, un contrôle de calage de la soufflante 6 est effectué.

L ’ ajustement de l’ angle des pales de la soufflante 6 permet de contrôler, tout du moins en partie, le couple sur l’ arbre 7. La dynamique de pilotage de la charge dissipative 12 est largement supérieure à celle du contrôle du calage, ce qui permet de rapidement limiter le couple de la turbine basse pression 5 afin de protéger le réducteur 8 sans qu’il soit nécessaire d’ alourdir ou complexifier l ’architecture de la turbomachine 1.

Selon une alternative au contrôleur PID impliquant une limitation fine mais coûteuse du couple de la turbine basse pression 5 , on pourra prévoir que le système de commande intègre une logique de commande en tout ou rien et comporter un relais de commutation à la place de la résistance 1 1 variable.

Comme cela est illustré à la figure 5 , le prélèvement et le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique 9 pour un transfert de ladite puissance électrique prélevée peuvent être effectués vers un dispositif électrique de stockage 26 dimensionné pour absorber tout ou partie de l’ énergie des pics de couple.

De préférence, le prélèvement et le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique 9 pour un transfert de ladite puissance électrique prélevée vers le dispositif électrique de stockage 26 est commandé par le système de commande.

Il est ensuite possible de réutiliser cette énergie électrique stockée, par exemple pour une utilisation par le réseau électrique de l ’aéronef. Ceci permet, par exemple, d’ alléger une partie des prélèvements d’ énergie électrique sur d’ autres sources de puissance potentielles du réseau électrique de l’ aéronef destinées à alimenter en énergie électrique un dispositif électrique du réseau électrique de l’ aéronef.

Avantageusement, le système de commande est apte à contrôler la fermeture d'un relais de commutation 27 pour le prélèvement de puissance électrique de la génératrice électrique 9 vers le dispositif électrique de stockage 26.

Le dispositif électrique de stockage 26 peut être un condensateur, par exemple un supercondensateur ou condensateur électrochimique.

De préférence, la turbomachine 1 comprend un redresseur de tension triphasé 28. Avantageusement, avant le prélèvement et le transfert d’ énergie électrique de la génératrice électrique 9 vers le dispositif de stockage 26, le procédé de gestion peut comprendre le redressement de la tension triphasée produite par la génératrice électrique 9.

La tension triphasée produite par la génératrice électrique 9 peut être redressée par un redresseur de tension triphasée 28.

De préférence, le redresseur de tension 28 peut être utilisé pour d’ autres sources de puissance du réseau électrique à courant alternatif de l’aéronef nécessitant d’ être connectées au réseau électrique à courant continu, par exemple un redresseur 800V.

Selon une alternative, le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique 9 prélevé peut être effectué vers un consommateur électrique.

De préférence, le prélèvement et le transfert de puissance électrique de la génératrice électrique 9 pour un transfert de ladite puissance électrique prélevée vers le consommateur électrique est commandé par le système de commande.

Le surplus d’ énergie lié à la survenue d’un pic de couple est ainsi consommé par un consommateur électrique.

Selon un exemple, le consommateur électrique peut être un consommateur du réseau électrique de l’aéronef, tel qu’un dispositif de dégivrage, un dispositif de lubrification, un dispositif de ventilation d’une nacelle de l’ aéronef, une pompe auxiliaire de mise en drapeau de l’hélice à calage variable, ou encore un calculateur, par exemple un calculateur du système de commande.

Avantageusement, le système de commande est apte à communiquer avec un consommateur électrique du réseau électrique de l’ aéronef pour fixer une valeur de puissance maximale à transférer audit consommateur.

Lors de la survenue d’un pic de couple mesurée par le capteur de couple 10, le système de commande communique avec des consommateurs du réseau électrique de l’ aéronef disposant de marges de surcharge et commande le transfert de surcharge vers ces consommateurs temporairement. Selon un exemple, le dispositif de dégivrage électrique peut s’ allumer et temporairement absorber une centaine de kW d’ énergie pendant quelques secondes, la lubrification électrique peut augmenter le débit de circulation de l’huile jusqu’ à une trentaine de kW, et la pompe auxiliaire de mise en drapeau de l’hélice peut consommer quelques dizaines de kW.