TITRE : Procédé et module de détection de l’état d’un dispositif d’accouplement, turbomachine et aéronef associés

Domaine technique

L ’invention concerne la détection de l’ état de fonctionnement d’un dispositif d’ accouplement reliant deux arbres entre eux.

L ’invention concerne plus particulièrement un module de contrôle du fonctionnement du dispositif d’ accouplement, une turbomachine comprenant un dispositif d’accouplement et un tel module, un aéronef comprenant une telle turbomachine et un procédé de contrôle du fonctionnement du dispositif d’ accouplement.

Techniques antérieures

Un aéronef est généralement muni d’une turbomachine comprenant au moins un arbre rotatif, au moins une turbine à gaz, au moins un compresseur et une chambre de combustion.

La turbomachine peut comprendre une machine électrique, par exemple à aimants permanents.

Tant que le rotor de la machine électrique tourne, les aimants génèrent une force électromotrice.

Lors d’un court-circuit, le courant généré par la force électromotrice provoque un échauffement de la boucle dans laquelle circule le courant, ce qui est susceptible de provoquer un incendie à bord de l’ aéronef.

Il est connu de rajouter un dispositif d’ accouplement reliant un arbre rotorique de la machine électrique à un arbre d’ entrainement de la turbomachine pour désolidariser l’ arbre d’ entrainement de l’ arbre rotorique de la machine électrique.

Afin de garantir un haut niveau de disponibilité et de fiabilité de fonctionnement du dispositif d’ accouplement, il est nécessaire de contrôler périodiquement son fonctionnement pour s’ assurer que lors d’une commande de déconnexion, le dispositif d’ accouplement désolidarise l’ arbre d’ entraînement et l’ arbre rotorique. En particulier, lors d’une consigne de déconnexion à la suite de la détection d’une panne de la machine électrique, il est nécessaire d’ avoir une confirmation de la déconnexion du dispositif d’accouplement. Il est donc nécessaire d’ avoir une méthode de vérification adaptative de l’ état de fonctionnement du dispositif d’ accouplement.

Exposé de l’invention

La présente invention a pour objectif de pallier tout ou partie de ces inconvénients.

La présente invention a pour objet un procédé de contrôle du fonctionnement d’un dispositif d’ accouplement pour turbomachine d’ aéronef, la turbomachine comprenant un arbre rotatif et une machine électrique, le dispositif d’ accouplement étant configuré pour relier un arbre rotorique de la machine électrique à l’ arbre rotatif et ayant deux états de fonctionnement, un état couplé de manière à solidariser l’arbre rotorique et l’ arbre rotatif et un état découplé de manière à désolidariser l’ arbre rotorique et l’ arbre rotatif, le procédé comprenant les étapes suivantes : détermination d’un état de commande du dispositif d’ accouplement ; détermination de la vitesse de rotation de la machine électrique ; détermination de la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif ; une première comparaison de la vitesse de rotation de la machine électrique déterminée avec un profil d’ évolution temporelle de la vitesse de rotation de la machine électrique déterminé à partir de la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif et de l’ état de commande du dispositif d’ accouplement, la première comparaison étant mise en œuvre pour déterminer un écart de fonctionnement ; une deuxième comparaison de l ’ écart de fonctionnement avec un seuil de détection ; et selon le résultat de la deuxième étape de comparaison, une identification de l’ existence ou de l’ absence d’une défaillance du dispositif d’accouplement ; la deuxième étape de comparaison comprenant la détermination de la valeur du seuil de détection à partir d’ au moins un paramètre de pilotage, de l’ écart de fonctionnement et de la vitesse rotation de la machine électrique.

La détermination de la valeur du seuil de détection en fonction du paramètre de pilotage, de l’ écart de fonctionnement et de la vitesse de rotation de la machine électrique permet de tenir compte des conditions d’utilisation de la turbomachine afin d’améliorer la détection d’une défaillance du dispositif d’ accouplement.

Avantageusement, le paramètre de pilotage est choisi parmi la température extérieure, l’ altitude de l ’aéronef et un paramètre représentatif d’un type de panne de la machine électrique.

Optionnellement, la première étape de comparaison comprend une étape préalable de détermination d’un abaque de profils d’ évolution temporelle de la vitesse de rotation de la machine électrique en fonction de la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif et de l’ état de commande du dispositif d’ accouplement.

Avantageusement, la deuxième étape de comparaison comprend le calcul du gradient de l’ écart de fonctionnement et une étape de calcul du gradient du profil d’ évolution temporelle préalablement à la deuxième étape de comparaison, la valeur du seuil de détection étant déterminée à partir du paramètre de pilotage, du gradient de l’ écart de fonctionnement, et du gradient de la vitesse de rotation de la machine électrique déterminée.

Avantageusement, le procédé comprend une étape de temporisation du résultat de la deuxième étape de comparaison.

Optionnellement, le procédé comprend préalablement à l’ étape de détermination de la vitesse de rotation de la machine électrique, une commande de la machine électrique en mode moteur lorsque la turbomachine est arrêtée.

Optionnellement, le procédé comprend un blocage en rotation de l’ arbre rotatif lorsque la machine électrique fonctionne en mode moteur. La présente invention a également pour objet un module de contrôle du fonctionnement d’un dispositif d’ accouplement pour turbomachine d’ aéronef, la turbomachine comprenant un arbre rotatif et une machine électrique, le dispositif d’ accouplement étant configuré pour relier un arbre rotorique de la machine électrique à l ’arbre rotatif et ayant deux états de fonctionnement, un état couplé de manière à solidariser l’ arbre rotorique et l’ arbre rotatif et un état découplé de manière à désolidariser l’ arbre rotorique et l’ arbre rotatif, le module comprenant : des premiers moyens de détermination configurés pour déterminer d’un état de commande du dispositif d’ accouplement ; des deuxièmes moyens de détermination configurés pour déterminer la vitesse de rotation de la machine électrique, des troisièmes moyens de détermination configurés pour déterminer la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif ; des premiers moyens de comparaison configurés pour comparer la vitesse de rotation de la machine électrique à un profil d’ évolution temporelle de la vitesse de rotation de la machine électrique déterminé à partir de la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif et de l’ état de commande du dispositif d’ accouplement, les premier moyens de comparaison étant configurés pour déterminer un écart de fonctionnement ; des deuxièmes moyens de comparaison configurés pour comparer l’ écart de fonctionnement avec un seuil de détection ; et des moyens de détermination d’une défaillance configurés pour identifier l’existence d’une défaillance ou d’une absence de défaillance du dispositif d’ accouplement selon le résultat délivré par les deuxièmes moyens de comparaison ; les deuxièmes moyens de comparaison étant en outre configurés pour déterminer la valeur du seuil de détection à partir d’ au moins un paramètre de pilotage, de l’ écart de fonctionnement et de la vitesse de rotation de la machine électrique.

La présente invention a également pour obj et une turbomachine pour aéronef comprenant un arbre rotatif, une machine électrique, et un dispositif d’ accouplement configuré pour relier un arbre rotorique de la machine électrique à l ’arbre rotatif et ayant deux états de fonctionnement, un état couplé de manière à solidariser l’ arbre rotorique et l’ arbre rotatif et un état découplé de manière à désolidariser l’ arbre rotorique et l’ arbre rotatif, la turbomachine comprenant un module de contrôle tel que défini précédemment.

La présente invention a enfin pour objet un aéronef comprenant une turbomachine telle que définie précédemment.

Brève description des dessins

D ’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig 1 ] illustre schématiquement un aéronef selon l’invention ;

[Fig 2] illustre schématiquement un module de contrôle selon l’invention ; et

[Fig 3] illustre schématiquement un procédé de contrôle du fonctionnement d’un dispositif d’ accouplement d’une turbomachine d’ aéronef selon l'invention.

Description détaillée

La figure 1 représente schématiquement un aéronef 2 comprenant une turbomachine 4, l’ aéronef 2 étant par exemple un avion, un hélicoptère ou un avion à décollages et atterrissages verticaux.

La turbomachine 4 comprend au moins un arbre rotatif, ici un arbre rotatif 6 sur lequel sont montés une soufflante 8, un compresseur 10, une chambre de combustion 12 et une turbine 14.

La turbomachine 4 comprend une machine électrique 16 et un dispositif d’accouplement 18 reliant l’ arbre rotorique de la machine électrique 16 à l’ arbre rotatif 6, par exemple par l’intermédiaire d’une boîte de vitesses ayant un rapport de transmission prédéterminé. Le dispositif d’ accouplement 18 peut toutefois relier directement l’arbre rotorique de la machine électrique 16 à l’ arbre rotatif 6.

La machine électrique 16 comprend par exemple une machine synchrone à aimants permanents associée à un convertisseur d’ électronique de puissance ou une machine à électro-aimants. La machine électrique 16 comprend un arbre rotorique (non représenté).

En variante, la machine électrique 16 est à rotor bobiné.

Le dispositif d’ accouplement 18 comprend deux états de fonctionnement, à savoir un état dit « couplé » dans lequel l’ arbre rotorique et l’ arbre rotatif 6 sont solidarisés et un état dit « découplé » dans lequel l’ arbre rotorique et l’ arbre rotatif 6 sont désolidarisés.

La turbomachine 4 comprend en outre un dispositif de commande 20 apte à commander le dispositif d’ accouplement 18 de manière à ce que le dispositif d’accouplement 18 soit dans un état couplé ou un état découplé.

La machine électrique 16 comprend un capteur de diagnostic 22. A titre d’exemple, le capteur de diagnostic 22 peut être un capteur de température apte à détecter une surchauffe de la machine électrique 16, un capteur de force apte à détecter une défaillance de paliers de la machine électrique 16, un capteur électrique apte à détecter un court- circuit de la machine électrique 16, un capteur de pression ou un capteur de niveau d’huile.

En variante, le capteur de diagnostic 22 peut être considéré comme un ensemble de capteurs différents choisis parmi le capteur de température, le capteur de force, le capteur de pression, le capteur de niveau d’huile et le capteur électrique par exemple.

Par ailleurs, la turbomachine 4 comprend un capteur de température 24 apte à mesurer la température extérieure à la turbomachine 4 et un capteur d’ altitude 26 apte à mesurer l’ altitude à laquelle se trouve la turbomachine 4.

Le dispositif d’accouplement 18 est piloté par un module de contrôle 28.

Ce module de contrôle 28 comprend, comme illustré à la figure 2, des premiers moyens de détermination 30 de l’ état de commande du dispositif d’ accouplement 18 , des deuxièmes moyens de détermination 32 aptes à déterminer la vitesse de rotation de la machine électrique 16, des troisièmes moyens de détermination 34 aptes à déterminer la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif 6.

Les premiers moyens de détermination 30 sont par exemple reliés électroniquement au dispositif de commande 20.

Les deuxièmes moyens de détermination 32 comprennent par exemple un capteur de vitesse de rotation apte à mesurer la vitesse de rotation de l’ arbre rotorique de la machine électrique 16.

Les troisièmes moyens de détermination 34 comprennent par exemple un capteur de vitesse de rotation apte à mesurer la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif 6.

Le module de contrôle 28 comprend par ailleurs des premiers moyens de comparaison 36 configurés pour comparer la vitesse de rotation de la machine électrique 16 avec un profil d’évolution temporelle de la vitesse de rotation de la machine électrique 16 déterminé à partir de la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif 6 et de l’ état de commande du dispositif d’ accouplement 18. Les premiers moyens de comparaison 36 sont ainsi configurés pour déterminer un écart de fonctionnement.

Ces premiers moyens de comparaison 36 peuvent comprendre une architecture logicielle destinée à mettre en œuvre un algorithme de comparaison. De tels premiers moyens de comparaison 36 peuvent être sous la forme de circuits logiques formant un comparateur par exemple.

Des deuxièmes moyens de comparaison 38, par exemple sous forme d’un comparateur ou d’une architecture logicielle intégrant un deuxième algorithme de comparaison, assurent la comparaison entre l’ écart de fonctionnement et un seuil de détection.

Les deuxièmes moyens de comparaison 38 déterminent la valeur du seuil de détection à partir d’ au moins un paramètre de pilotage P, de l’ écart de fonctionnement et de la vitesse de rotation de la machine électrique 16.

Le module de contrôle 28 comprend des moyens de détermination d’une défaillance 40, par exemple des moyens logiciels, configurés pour identifier l’ existence ou l’ absence d’une défaillance du dispositif d’ accouplement 18 selon le résultat délivré par les deuxièmes moyens de comparaison 38. Ils sont connectés électroniquement à un voyant lumineux ou à un système d’ alarme, pouvant être sonore, de l’ aéronef 2 pour avertir un opérateur de la défaillance. Optionnellement, les moyens de détermination d’une défaillance 40 sont aptes à arrêter la turbomachine 4 en cas de détection d’une défaillance du changement d’ état du dispositif d’accouplement 18, la machine électrique 16 ne tournant plus lorsque la turbomachine 4 est arrêtée.

La figure 3 représente schématiquement un procédé de contrôle du fonctionnement du dispositif d’ accouplement 18.

On suppose que la chambre de combustion 12 génère des gaz chauds entraînant la turbine 14.

Durant une étape 42 de détermination de l’ état de commande du dispositif d’accouplement 18, les premiers moyens de détermination 30 et le dispositif de commande 20 déterminent un état de commande du dispositif d’ accouplement 18. L ’ état de commande du dispositif d’ accouplement 18 est délivré sous la forme d’une consigne de pilotage à l’ état couplé ou à l’ état découplé du dispositif d’accouplement 18.

Durant une étape 44 de détermination de la vitesse de rotation de la machine électrique 16, un capteur de vitesse de rotation des deuxièmes moyens de détermination 32 mesure la vitesse de rotation de l’ arbre rotorique de la machine électrique 16. La vitesse de rotation de la machine électrique 16 est par exemple enregistrée dans une mémoire des deuxièmes moyens de détermination 32.

Lors de l ’étape 46 suivante, on détermine la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif 6. Un capteur de vitesse de rotation des troisièmes moyens de détermination 34 mesure la vitesse de rotation de l’arbre rotatif 6. La vitesse de rotation de l’ arbre rotatif 6 mesurée est par exemple enregistrée dans une mémoire des troisièmes moyens de détermination 34.

Les étapes 42, 44 et 46 peuvent être effectuées simultanément ou successivement.

Les premiers moyens de comparaison 36 comparent alors la vitesse de rotation de la machine électrique 16 à un profil d’ évolution temporelle de la vitesse de rotation de la machine électrique 16 déterminé à partir de la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif 6 et de l’ état de commande du dispositif d’ accouplement 18 pour déterminer un écart de fonctionnement (étape 48).

L ’ écart de fonctionnement est par exemple égal à la différence entre la vitesse de rotation de la machine électrique 16 et le profil d’ évolution temporelle. Cette différence peut être une différence instantanée ou une somme de la différence entre la vitesse de rotation de la machine électrique 16 déterminée et le profil d’ évolution temporelle pendant une durée prédéterminée.

Le profil d’ évolution temporelle comprend l’ évolution de la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif 6 lorsque le dispositif d’ accouplement 18 est dans un état couplé ou l’ évolution de la vitesse de rotation de l’arbre rotatif 6 lorsque le dispositif d’ accouplement 18 est dans un état découplé. Il est obtenu par exemple à partir d’un modèle du dispositif d’ accouplement 18 fonctionnant de manière fiable ou par exemple d’une fiche technique de la machine électrique 16.

Le profil d’ évolution temporelle est extrait d’un abaque de profils d’ évolution temporelle de la vitesse de rotation de la machine électrique 16.

L ’ abaque est déterminé préalablement à la première étape de comparaison en fonction de la vitesse de rotation de l’ arbre rotatif 6 et de l’ état de commande du dispositif d’ accouplement 18.

L ’ abaque des profils d’ évolution temporelle permet de déterminer rapidement le profil d’ évolution temporelle utilisé lors de la première étape 48 de comparaison.

Lors de l’ étape 50 suivante, les deuxièmes moyens de comparaison 38 comparent l’ écart de fonctionnement à un seuil de détection.

Le seuil de détection est variable et est déterminé à partir d’un paramètre de pilotage P, de l’ écart de fonctionnement et de la vitesse de rotation de la machine électrique 16.

Le paramètre de pilotage P comprend par exemple la température extérieure à l’ aéronef 2 mesurée par le capteur de température 24, l’ altitude de l’ aéronef 2 mesurée par le capteur d’ altitude 26. La température extérieure de l’ aéronef 2 permet de déterminer la viscosité de l’huile de la machine électrique 16 et/ou la viscosité de l’huile de la turbomachine 4.

Lorsque la viscosité de l’huile de refroidissement de la machine électrique 16 est élevée, la machine électrique 16 présente une plus grande inertie. Lorsque la viscosité de l’huile de la turbomachine 4 est élevée et que le dispositif d’ accouplement 18 est dans un état couplé, la machine électrique 16 présente une plus grande inertie.

La prise en compte de l’ altitude de l’aéronef 2 permet d’ ajuster la durée de démarrage de la turbomachine 4.

Plus l’ altitude de l’ aéronef 2 est élevée, plus la durée de démarrage de la turbomachine 4 est grande, par exemple 60 secondes au niveau de la mer à 120 secondes à haute altitude.

Le paramètre de pilotage P peut comprendre un paramètre représentatif d’un type de panne de la machine électrique 16.

Par exemple, lorsqu’une surchauffe de la machine électrique 16 est détectée par le capteur de diagnostic 22, les deuxièmes moyens de comparaison 38 modifient la valeur du seuil pour tenir compte du changement de comportement de la machine électrique 16 par suite de la surchauffe. Lorsque le capteur de diagnostic 22 détecte un palier défectueux de la machine électrique 16, les deuxièmes moyens de comparaison 38 modifient la valeur du seuil pour tenir compte du changement de comportement de la machine électrique 16 à la suite de la défaillance du palier. Lorsque le capteur de diagnostic 22 détecte un court-circuit dans la machine électrique 16, les deuxièmes moyens de comparaison 38 modifient la valeur du seuil pour tenir compte du changement de comportement de la machine électrique 16. Lorsque le capteur de diagnostic 22 détecte une pression anormale ou un niveau d’huile anormal, les deuxièmes moyens de comparaison 38 modifient la valeur du seuil pour tenir compte du changement de comportement de la machine électrique 16.

Bien entendu, le paramètre P peut comprendre plusieurs grandeurs parmi la température extérieure de l’ aéronef 2, l ’altitude de l’ aéronef 2 et le paramètre représentatif d’un type de panne. En variante, le procédé comprend le calcul du gradient (V) de l’ écart de fonctionnement et une étape de calcul du gradient du profil d’ évolution temporelle préalablement à la deuxième étape de comparaison 50, la valeur du seuil de détection étant déterminée à partir du paramètre de pilotage P, du gradient de l’ écart de fonctionnement, et du gradient du profil d’ évolution temporelle de la vitesse de rotation de la machine électrique 16.

L ’utilisation des gradients permet une détection rapide de l’ écart de comportement.

Selon le résultat de l’ étape 50, une défaillance du dispositif d’ accouplement 18 peut être détectée (étape 52). Si par exemple l’ écart de fonctionnement est supérieur au seuil de détection variable, alors le dispositif d’ accouplement 18 est considéré comme défaillant. Si l’ écart de fonctionnement est inférieur au seuil de détection, alors le dispositif d’ accouplement 18 est considéré comme étant fonctionnel.

Durant une étape 54 de temporisation, le résultat délivré par les deuxièmes moyens de comparaison 38 est stocké dans une mémoire pendant une durée prédéterminée et les étapes 42, 44, 46, 48 et 50 sont réitérées, puis le résultat délivré par les deuxièmes moyens comparaison 38 est comparé au résultat stocké dans la mémoire. Si les deux résultats sont identiques et représentatifs d’une défaillance, les moyens de détermination d’une défaillance 40 signalent la défaillance. Dans le cas contraire, les moyens de détermination d’une défaillance 40 signalent l’ absence de défaillance.

Le procédé de contrôle est par exemple mis en œuvre à la suite d’un changement d’ état du dispositif d’ accouplement 18 pour découpler la machine électrique 16 à la suite d’une panne de la machine électrique 16, ou lors de la mise en œuvre d’un test de fonctionnement du dispositif d’ accouplement 18 ou pour s ’ assurer que le dispositif d’ accouplement 18 est toujours dans l’ état de fonctionnement commandé par le dispositif de commande 20.

On suppose désormais que la turbomachine 4 est à l’ arrêt, l’ aéronef 2 étant par exemple au sol.

Le procédé débute par une étape de commande 56 de la machine électrique 16 en mode moteur de sorte que la machine électrique 16 utilise une puissance électrique pour générer une puissance mécanique de rotation.

De préférence, le dispositif de commande 20 pilote la machine électrique 16 en mode moteur de sorte que la machine électrique 16 génère une puissance mécanique suffisante pour entraîner en rotation l’ arbre rotorique de la machine électrique 16, mais insuffisante pour entraîner en rotation l’ arbre rotatif 6.

On effectue ensuite les étapes 42, 44 et 46 décrites précédemment.

Durant la première étape de comparaison 48, la vitesse de rotation de l ’arbre rotatif 6 est nulle. Le profil d’ évolution temporelle comprend la vitesse de rotation de la machine électrique 16 découplée.

Le procédé se poursuit aux étapes 50, 52, 54 telles que décrites précédemment.

Lorsque le dispositif de commande 20 pilote la machine électrique 16 en mode moteur de sorte que la machine électrique 16 génère une puissance mécanique suffisante pour entraîner en rotation l’ arbre rotorique de la machine électrique 16 et pour entraîner en rotation l’ arbre rotatif 6, durant une étape de blocage 58 de la rotation de l’ arbre rotatif 6, un frein d’hélice est par exemple activé pour empêcher la rotation de l’ arbre rotatif 6.

Puis le procédé se poursuit à l’ étape 56.

L ’ étape de blocage 58 permet également d’ empêcher une mauvaise évaluation de l’ état de fonctionnement du dispositif d’ accouplement 18 lorsque l ’arbre rotatif 6 est entraîné en rotation par le vent « windmilling » en anglais.

L ’ ajustement de la valeur du seuil de détection selon le paramètre de pilotage P, l’écart de fonctionnement et la vitesse de rotation de la machine électrique 16 permet de tenir compte des conditions d’utilisation de la turbomachine 4 afin d’ améliorer la détection d’une défaillance du dispositif d’ accouplement 18.