Brevet FR2648865A1 — publié le 19901228

La présente invention concerne un procédé de commande du fonctionnement d'un turbomoteur en combinaison avec une commande active thermique d'un jeu. La commande du jeu radial entre les bouts d'ailettes S rotatives et la couronne périphérique, les entourant dans des turbomoteurs à flux axial, est une technique connue pour améliorer le rendement du moteur. En réduisant le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, les concepteurs de ces moteurs peuvent réduire la quantité de fluide de travail de la turbine qui s'écoule en dérivation par rapport aux ailettes, ce qui augmente par conséquent la puissance de sortie disponible du moteur pour une alimentation en carburant donnée ou une autre entrée du moteur. L'expression "commande active du jeu" concerne les dispositifs de commande du jeu dans lesquels une quantité d'air de refroidissement est utilisée par le dispositif de commande du jeu afin de régler la température de certaines structures du moteur et de commander ainsi le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, lequel résulte de la dilatation ou de la contraction thermique de la structure refroidie. Une caractéristique de tels dispositifs de commande active du jeu est que le flux d'air de refroidissement peut être commuté ou modulé en fonction de divers paramètres du moteur, de l'aéronef ou de l'environnement, de manière à produire une réduction du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne pendant les parties de la plage de variation de la puissance de fonctionnement du moteur dans lesquelles une telle commande du jeu est la plus avantageuse. Une réduction du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne doit être obtenue judicieusement. Par exemple un refroidissement excessif du carter de la turbine supportant la couronne, tel que cette couronne vienne interférer avec les bouts des ailettes rotatives, se traduit par une usure prématurée de la couronne ou une abrasion et des dommages causés aux bouts des ailettes. Il est donc important que la réduction du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne qui est obtenue par de tels dispositifs de commande du jeu, soit conçue de manière à éviter l'apparition d'une interférence entre les bouts des ailettes et la couronne, interférence qui peut provoquer finalement une détérioration du rendement du fonctionnement du moteur dans son ensemble ou, ce qui est pire, des dommages causés aux composants internes du moteur. Par conséquent, un but de la présente invention est de fournir un procédé de commande du fonctionnement d'un turbomoteur comportant un dispositif de commande active du jeu, qui permet de réduire le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne pendant un fonctionnement à charge partielle. Suivant la présente invention le procédé prévoit une variante du programme du flux d'air de refroidissement en direction du turbomoteur afin de réduire le jeu radial entre les bouts des ailettes et la couronne durant des périodes pendant lesquelles le moteur a atteint un fonctionnement en mode croisière dans lequel son taux d'accroissement de la puissance est limité. Le procédé suivant la présente invention comporte en outre un ensemble de critères pour déterminer le choix approprié du fonctionnement en mode croisière. Ces critères peuvent comporter des paramètres liés 2o48865 à l'environnement, des paramètres de fonctionnement du moteur ou un signal d'entrée de l'opérateur. A cet effet ce procédé de commande du fonctionnement d'un turbomoteur d'un aéronef comportant un dispositif de commande active du jeu à l'endroit des bouts d'ailettes, comprenant des moyens pour fournir un flux d'air de refroidissement programmé au moteur, le débit d'air de refroidissement programmé répondant à une réponse transitoire attendue du moteur à une variation par palier du niveau de puissance du moteur est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à choisir une sous- plage de mode croisière des niveaux de puissance de fonctionnement du moteur à l'intérieur de la plage autorisée des niveaux de puissance de fonctionnement du moteur et à fournir sélectivement un autre programme, en mode croisière, de variation des débits d'air de refroidissement en fonction des niveaux de puissance effectifs correspondant du moteur dans la sous-plage mode croisière. Suivant une caractéristique complémentaire, l'étape de fourniture sélective du programme de croisière comprend les étapes consistant à surveiller au moins un paramètre de fonctionnement du moteur ou de l'aéronef, choisi parmi une pluralité de paramètres, de fonctionnement comprenant la vitesse angulaire du rotor haute pression du moteur, la vitesse angulaire du rotor basse pression du moteur, le réglage de la demande de puissance du moteur, la température de l'air ambiant, la pression de l'air ambiant, l'altitude, le rapport de pression du moteur, l'ordre d'entrée de l'opérateur de l'aéronef et le temps écoulé depuis le dernier changement de la demande du niveau de puissance du moteur, et à choisir et à abandonner à variante du programme, en mode croisière, du flux d'air de refroidissement en réponse aux paramètres de fonctionnement surveillés du moteur ou de l'aéronef. Le choix du fonctionnement en mode croisière amène le flux d'air de refroidissement, pour la commande du jeu, en direction du moteur, à suivre une variante du programme du flux ce qui se traduit par un jeu radial réduit, entre les bouts des ailettes et la couronne, comparativement au programme du flux normal. Ce jeu réduit augmente le rendement du fonctionnement du moteur pour le niveau de puissance du moteur en vol de croisière, en régime permanent, à charge partielle mais cependant un tel jeu réduit est insuffisant pour pouvoir encaisser la dilatation thermique différentielle transitoire courante qui apparaît entre les bouts des ailettes et la couronne à la suite d'un changement par palier du niveau de puissance. Par conséquent une caractéristique de la présente invention est que le choix du fonctionnement en mode croisière et de la variante correspondante du programme du flux d'air de refroidissement comporte également une limitation de vitesse de changement lors de l'accroissement du niveau de puissance du moteur. Cette limitation diminue la vitesse de réponse du moteur pendant le fonctionnement en mode croisière ce qui entraîne une réduction de l'amplitude de la dilatation thermique différentielle transitoire pendant un changement de puissance du moteur. Une telle réponse réduite, qui peut être indésirable dans certaines parties de la plage de fonctionnement du moteur, est acceptable pendant le fonctionnement en mode croisière telle que sélectionnée par le procédé suivant l'invention. L'avantage de ce procédé est l'obtention d'un fonctionnement efficace pendant certaines périodes du fonctionnement du moteur sans compromettre la réponse de ce moteur pendant le reste de sa plage de fonctionnement. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un diagramme représentant la variation du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne de la turbine en fonction de la vitesse angulaire du rotor haute pression, dans le cas d'un fonctionnement en régime permanent et de conditions transitoires. La figure 2 montre additionnellement la variation du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne en fonction de la vitesse du rotor haute pression, en régime permanent, dans le cas de la variante de programme du flux suivant la présente invention, y compris certaines réponses transitoires. La figure 1 représente graphiquement la variation du jeu radial entre les bouts des ailettes rotatives de la section de turbine haute pression d'un turbomoteur et la couronne les entourant. Ce jeu, représenté sur l'axe vertical par g, est commandé en chauffant ou refroidissant thermiquement le carter de turbine périphérique au moyen d'un flux contrôlé d'air de refroidissement qui est projeté directement sur l'extérieur du carter. Un flux d'air de refroidissement accru' entraîne un refroidissement du carter de la turbine, ce qui amène celuici à se contracter circonférentiellement et ce qui provoque une réduction du jeu radial entre les bouts des ailettes et l'enveloppe. Suivant le procédé de commande décrit dans la demande de brevet parallèle ayant pour titre "Procédé de commande du jeu radial à l'endroit des bouts des ailettes d'un turbomoteur", déposée ce même jour, le jeu S entre les bouts des ailettes et la couronne est commandé d'une manière optimale en réponse au niveau de puissance du moteur, ou, ce qui est équivalent, à la vitesse angulaire N2 du rotor haute pression. La figure 1 est un diagramme sur lequel le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne est porté sur l'axe vertical 10 tandis que la vitesse N2 du rotor haute pression est portée sur l'axe horizontal 12. La courbe inclinée 14 représente la variation du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, en régime permanent, dans une plage 16 de fonctionnement à puissance normale. Pour le niveau de puissance normale maximal 18 on peut voir que le jeu S entre les bouts des ailettes et la couronne est équivalent au jeu minimal requis - min 20 et que ce jeu augmente lorsque la puissance du moteur est réduite dans la plage de fonctionnement 16. Ainsi qu'il est décrit dans la demande de brevet parallèle précitée, la raison du jeu en excès accru, lors d'un fonctionnement à puissance partielle, est illustrée par les courbes 22, 24 en trait mixte représentant l'écart transitoire du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne par rapport à la courbe 14 en régime permanent, en réponse à un accroissement par palier de la puissance du moteur, à partir d'une charge partielle jusqu'à la puissance normale maximale 18. On a observé que, alors qu'un turbomoteur doit être libre de pouvoir fonctionner dans la totalité de la plage 16 à tous les moments, il est bien connu qu'il existe des périodes prolongées de fonctionnement du moteur, dans la plage de variation de la puissance normale 16, à une puissance bien en dessous de la puissance normale maximale 18, lorsque l'aéronef a atteint son altitude de croisière et maintient cette altitude, la vitesse de l'air et le réglage du niveau de puissance du moteur pendant des périodes de temps prolongées lors d'un vol vers une destination connue. La présente invention permet d'améliorer la loi illustrée sur la figure 1 en réduisant le jeu en excès entre les bouts des ailettes rotatives et la couronne périphérique pendant des périodes de fonctionnement du moteur dans des conditions prolongées de vol de croisière, en régime permanent. Ceci est au mieux illustré par la variante de courbe de variation du jeu 26 représentée en dessous de la courbe normale 14 répétée à partir de la figure 1. La courbe 26 est obtenue par un flux d'air de refroidissement accru, lors d'un fonctionnement à charge partielle, comparativement à la courbe de variation du jeu normal 14, qui, sans autres modifications du fonctionnement du moteur, pourrait se traduire par un jeu insuffisant ou une interférence sérieuse entre les bouts des ailettes et la couronne à la suite d'un palier ou échelon de variation de la puissance du moteur. Ceci est illustré par la courbe transitoire hypothétique 28 représentant l'enveloppe de la diminution du jeu radial lequel chute non seulement endessous de la valeur minimale requise min 20 mais est aussi représenté comme tombant en dessous du jeu nul, ce qui indique une interférence radiale entre les bouts des ailettes rotatives et la couronne périphérique. Ainsi qu'il est indiqué dans la demande de brevet parallèle précitée, le jeu en excès prévu, lors d'un fonctionnement à puissance partielle, par la courbe de variation du jeu et le programme du flux correspondant sont déterminés pour tenir compte de cet écart transitoire ainsi qu'il est représenté par la courbe 28. Il doit être clair pour l'homme de l'art que l'amplitude de l'écart transitoire, par rapport aux courbes 14,26 en régime permanent, est une fonction de la vitesse de variation de la puissance du moteur en réponse à une demande de modification de la puissance par palier. Ainsi en réduisant la vitesse de réponse du moteur à une augmentation demandée de la puissance du moteur, l'amplitude de l'écart par rapport à la courbe de variation du jeu 14,26 au régime permanent peut être réduite aux dépens du temps de réponse du moteur. La présente invention est basée sur la reconnaissance du fait que, bien qu'elle soit inacceptable pour la totalité de la plage de fonctionnement du moteur attendue, la limitation de la vitesse d'augmentation de la puissance, en réponse à une demande de changement de puissance par palier, peut être acceptable au cours de certaines périodes définies du fonctionnement de l'aéronef et du moteur. A titre d'exemple, de telles périodes au cours desquelles le fonctionnement en mode croisière suivant la présente invention peut être utilisé, on considèrera la plage de fonctionnement du moteur d'un avion commercial. Pendant le décollage et la montée en altitude, le flux d'air de refroidissement, à travers la portion de commande active du jeu du ou des moteurs de l'avion, peut être réglé de manière à obtenir la courbe de fonctionnement normale 14 telle que représentée sur la figure 1. Cette courbe permet une réponse synchronisée de la puissance du moteur à des variations de la demande, ainsi que cela peut être exigé pour exécuter une montée, un virage, etc. Une fois que l'avion a atteint l'altitude de croisière désirée, le procédé suivant la présente invention prévoit le choix du "mode croisière" dans lequel la variante du programme du flux de refroidissement est suivie, ce qui se traduit par la courbe de variation du jeu 26 telle que représentée sur la figure 2. Lors du passage au fonctionnement en mode croisière une limitation est introduite sur la vitesse de changement de la puissance du moteur en réponse à la demande du pilote, ce qui se traduit ainsi par l'écart transitoire réduit tel que représenté par la courbe 32 sur la figure 2. En réduisant la nécessité d'un jeu en excès par suite de la limitation de la réponse à des variations de la 2puissance du moteur, le procédé suivant la présente invention permet d'obtenir une réduction du jeu en excès entre les bouts des ailettes et la couronne, ce qui améliore le rendement global du moteur par suite de la réduction de la quantité de fluide de travail passant en dérivation à travers les étages d'ailettes du rotor du moteur. Comme le comprendra l'homme de l'art, le temps de réponse du moteur plus long, pendant de telles périodes de fonctionnement, est acceptable par les opérateurs et pilotes étant donné que la nature du fonctionnement en mode croisière implique par elle-même une puissance de sortie du moteur pratiquement sans changement, en régime permanent. Les actions entreprises par le pilote de l'avion, pour changer d'altitude, permettre un débit réduit de carburant ou compenser le vent dans le nez, etc..., lesquelles exigent des variations de puissance du moteur, peuvent être aisément effectuées dans le mode croisière bien que le temps de réponse ait été quelque peu accru. Le fonctionnement en mode croisière est abandonné, conformément au procédé suivant la présente invention, lorsque l'avion approche de sa destination finale, lorsqu'il descend et commence sa manoeuvre d'atterrissage. Le flux d'air de refroidissement est de nouveau commandé en réponse au programme normal du flux qui se traduit par le jeu en excès plus important, pour une puissance à charge partielle, ainsi qu'il est représenté par la courbe 14. Le choix du fonctionnement en mode croisière, à jeu réduit et à temps de réponse accru, suivant la présente invention, peut être réalisé par divers processus sélectifs comprenant notamment mais non exclusivement une commande du pilote, une détection de l'altitude, une interaction avec un système de commande de la position et de la course de l'avion, etc. Le critère d'ensemble pour le choix du mode croisière est que l'on peut s'attendre, d'une manière raisonnable, à ce que l'avion et les moteurs arrivent à une période future d'un fonctionnement prolongé en régime permanent dans lequel il n'y a pas lieu de s'attendre à un accroissement immédiat, à réponse rapide, de la puissance du moteur. De même l'abandon du mode croisière peut faire suite à un changement par palier de la demande du niveau de puissance du moteur, à l'extérieur d'une plage ou d'un pourcentage présélectionné, ce qui indique ainsi que le moteur ou l'avion a atteint la fin de la période prolongée de fonctionnement en régime permanent. REVENDICATIONS 1.- Procédé de commande du fonctionnement d'un turbomoteur d'un aéronef comportant un dispositif de commande active du jeu à l'endroit des bouts d'ailettes, comprenant des moyens pour fournir un flux d'air de refroidissement programmé au moteur, le débit d'air de refroidissement programmé répondant à une réponse transitoire attendue du moteur à une variation par palier du niveau de puissance du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à choisir une sous-plage de mode croisière des niveaux de puissance de fonctionnement du moteur à l'intérieur de la plage autorisée des niveaux de puissance de fonctionnement du moteur et à fournir sélectivement un autre programme, en mode croisière, de variation des débits d'air de refroidissement en fonction des niveaux de puissance effectifs correspondant du moteur dans la sous-plage mode croisière. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de fourniture sélective du programme de croisière comprend les étapes consistant à surveiller au moins un paramètre de fonctionnement du moteur ou de l'aéronef, choisi parmi une pluralité de paramètres de fonctionnement comprenant la vitesse angulaire du rotor haute pression du moteur, la vitesse angulaire du rotor basse pression du moteur, le réglage de la demande de puissance du moteur, la température de l'air ambiant, la pression de l'air ambiant, l'altitude, le rapport de pression du moteur, l'ordre d'entrée de l'opérateur de l'aéronef et le temps écoulé depuis le dernier changement de la demande du niveau de puissance du moteur, et à choisir et à abandonner à variante du programme, en mode croisière, du flux d'air de refroidissement en réponse aux paramètres de fonctionnement surveillés du moteur ou de l'aéronef.