Brevet FR2899937A1 — publié le 20071019

B07-1352FR 2899937 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY PROCEDE ET UNITE DE COMMANDE POUR FAIRE FONCTIONNER UNE TURBINE A GAZ Invention de : WIEGMAN Herman Lucas Norbert, SHELDON Karl Edward, TURCO John Biagio, CARLSON William PRIORITE D'UNE DEMANDE DE BREVET DEPOSEE AUX ETATS-UNIS D'AMERIQUE le 12 AVRIL 2006 SOUS LE n 11/402.477 2 PROCEDE ET UNITE DE COMMANDE POUR FAIRE FONCTIONNER UNE TURBINE A GAZ La présente invention concerne d'une façon générale des turbines à gaz et, 5 plus particulièrement, un procédé et une unité de commande pour faire fonctionner une turbine à gaz. Les turbines à gaz comprennent les turbomoteurs servant à la propulsion des aéronefs. Un turbomoteur classique pour aéronef comprend, entre autres organes, un compresseur, une turbine haute pression et un arbre haute pression accouplant la 10 turbine haute pression avec le compresseur. Les gaz de combustion sortant du turbomoteur fournissent au moins une partie de la poussée générée par le moteur. Pour les turbomoteurs comportant aussi un arbre basse pression accouplant une turbine basse pression avec une soufflante, une poussée supplémentaire est fournie par l'air qui sort de la canalisation de soufflante. Périodiquement, une unité de 15 commande de moteur demande que de l'air de prélèvement soit extrait du compresseur à diverses fins connues des spécialistes de la technique. Périodiquement, l'unité de commande de moteur demande qu'une puissance mécanique soit extraite de l'arbre haute pression (directement ou par l'intermédiaire d'un boîtier d'entraînement des accessoires) pour faire tourner un générateur 20 électrique afin de produire de l'électricité utilisée par l'aéronef et/ou faire tourner une pompe hydraulique ou pneumatique dans l'aéronef. Les ingénieurs exécutent un modèle informatique dynamique du turbomoteur, simulant comme entrées les pires conditions de fonctionnement du moteur et de l'aéronef pour parvenir à une limite fixe concernant la puissance mécanique maximale à extraire de l'arbre haute 25 pression, la limite fixe étant choisie pour empêcher que le moteur ne cale quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur et de l'aéronef. Des turbines à gaz classiques sont également installées sur d'autres plates-formes d'installation telles que, d'une manière nullement limitative, un hélicoptère, un navire, une centrale électrique, une locomotive, une station de pompage et une 30 cuve. Les chercheurs et les ingénieurs continuent à rechercher des procédés perfectionnés et des unités de commande perfectionnées pour faire fonctionner une turbine à gaz. 3 Un procédé de l'invention sert à faire fonctionner un turbomoteur installé dans un aéronef, le turbomoteur comprenant un compresseur, une turbine et un arbre accouplant la turbine avec le compresseur. Le procédé comprend l'exécution d'un modèle informatique dynamique du turbomoteur, le modèle informatique dynamique ayant des entrées dont des conditions de fonctionnement du turbomoteur et des conditions de fonctionnement de l'aéronef. Le procédé comprend également le calcul d'une limite mécanique concernant l'extraction d'énergie mécanique de l'arbre au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. Ce procédé peut aussi comprendre une étape consistant à extraire de l'énergie mécanique de l'arbre à un niveau ne dépassant pas la limite dynamique calculée pour l'extraction d'énergie mécanique. Ce procédé peut également comprendre une étape consistant à calculer une limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement du compresseur au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. Le procédé peut également comprendre une étape consistant à extraire de l'air de prélèvement du compresseur à une fréquence non supérieure à la limite dynamique calculée de fréquence d'extraction d'air de prélèvement. La limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement et la limite dynamique d'extraction d'énergie mécanique peuvent être calculées pour 20 empêcher que le turbomoteur ne cale. Une première forme de réalisation de l'invention concerne une unité de commande pour faire fonctionner un turbomoteur installé dans un aéronef, le turbomoteur comprenant un compresseur, une turbine et un arbre accouplant la turbine avec le compresseur. L'unité de commande contient un programme qui 25 demande à l'unité de commande d'exécuter un modèle informatique dynamique du turbomoteur, le modèle informatique dynamique ayant des entrées dont des conditions de fonctionnement du turbomoteur et des conditions de fonctionnement de l'aéronef. L'unité de commande est également programmée pour calculer une limite dynamique concernant une extraction d'énergie mécanique à partir de l'arbre au 30 moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. L'unité de commande peut également être programmée pour demander l'extraction d'énergie mécanique de l'arbre à un niveau ne dépassant pas la limite dynamique calculée d'extraction d'énergie mécanique. 4 L'unité de commande peut également être programmée pour calculer une limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement du compresseur au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. L'unité de commande peut également être programmée pour demander l'extraction d'air de prélèvement du compresseur à une fréquence ne dépassant pas la limite dynamique calculée de fréquence d'extraction d'air de prélèvement. La limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement et la limite dynamique d'extraction d'énergie mécanique peuvent être calculées pour empêcher que le turbomoteur ne cale. Une deuxième forme de réalisation de l'invention concerne une unité de commande pour faire fonctionner un turbomoteur, le turbomoteur pouvant être installé dans une plate-forme d'installation, le turbomoteur comprenant un compresseur, une turbine et un arbre accouplant la turbine avec le compresseur. L'unité de commande contient un programme qui demande à l'unité de commande d'exécuter un modèle informatique dynamique du turbomoteur, le modèle informatique dynamique ayant des entrées dont des conditions de fonctionnement du turbomoteur et des conditions de fonctionnement de la plate-forme d'installation. L'unité de commande est également programmée pour calculer une limite dynamique concernant l'extraction d'énergie mécanique à partir de l'arbre au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est un schéma de principe d'un procédé pour faire fonctionner un turbomoteur ; la Fig. 2 est une vue schématique d'une forme de réalisation d'un aéronef comprenant un turbomoteur qui, dans un exemple, fonctionne suivant le procédé de la Fig. 1 ; et la Fig. 3 est une vue schématique du turbomoteur de la Fig. 2, comprenant un compresseur, une turbine et un arbre, ainsi qu'une unité de commande programmée pour faire fonctionner le turbomoteur, une vanne commandée par l'unité de commande pour l'extraction d'air de prélèvement à partir du compresseur, et un générateur électrique coopérant avec l'arbre par l'intermédiaire d'un boîtier d'entraînement des accessoires qui est commandé par l'unité de commande pour permettre au générateur électrique d'extraire de l'énergie mécanique de l'arbre. Considérant maintenant les dessins, la Fig. 1 illustre un procédé selon 5 l'invention pour faire fonctionner un turbomoteur 10 installé dans un aéronef 12 tel que, mais d'une manière nullement limitative, une forme de celui-ci illustrée sur les figures 2 et 3. Le turbomoteur 10 selon le procédé comprend un compresseur 14, une turbine 16 et un arbre 18 accouplant la turbine 16 avec le compresseur 14. Comme indiqué par un bloc numéroté 20 sur la Fig. 1, le procédé comprend une exécution d'un modèle informatique dynamique du turbomoteur 10, le modèle informatique dynamique ayant des entrées dont des conditions de fonctionnement du turbomoteur 10 et des conditions de fonctionnement de l'aéronef 12. Comme indiqué par un bloc numéroté 22 sur la Fig. 1, le procédé comprend également une étape consistant à calculer une limite dynamique concernant l'extraction d'énergie mécanique de l'arbre 18 au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur 10. Dans un premier exemple, le modèle informatique dynamique du turbomoteur 10 est exécuté en temps réel à bord de l'aéronef 12. Dans un deuxième exemple, le modèle informatique dynamique du turbomoteur 10 est exécuté, mais non en temps réel, à bord de l'aéronef 12, le procédé calculant une pluralité de valeurs différentes de la limite dynamique au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique, les différentes valeurs de la limite dynamique correspondant à différentes valeurs des entrées du modèle informatique dynamique. Dans une variante, les différentes valeurs des entrées et les différentes valeurs correspondantes de la limite dynamique sont enregistrées dans une table de conversion. D'autres exemples apparaîtront aux spécialistes de la technique. Dans une forme de réalisation, le procédé comprend également une étape consistant à extraire de l'énergie mécanique de l'arbre 18 à un niveau ne dépassant pas la limite dynamique calculée pour l'extraction d'énergie mécanique. Dans une variante, le procédé comporte également une étape consistant à calculer une limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement du compresseur 14 au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur 10. Dans une autre variante, le procédé comporte également une étape consistant à extraire de l'air de prélèvement du compresseur 14 à une fréquence ne dépassant pas la limite dynamique calculée de fréquence d'extraction d'air de prélèvement. Dans un exemple, la limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement et la 6 limite dynamique d'extraction d'énergie mécanique sont calculées pour empêcher le turbomoteur 10 de caler. On notera que la création et l'exécution d'un tel modèle informatique dynamique de turbomoteur installé dans un aéronef, le calcul de la limite dynamique d'extraction d'énergie mécanique et de cette limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement, et cette extraction d'énergie mécanique et d'air de prélèvement entrent dans les compétences ordinaires de spécialistes de la technique. Une première forme de réalisation de l'invention concerne une unité de commande 24 servant à faire fonctionner un turbomoteur 10 installé dans un aéronef 12, le turbomoteur 10 comprenant un compresseur 14, une turbine 16 et un arbre 18 accouplant la turbine 16 avec le compresseur 14. L'unité de commande 24 contient un programme qui demande à l'unité de commande 24 d'exécuter un modèle informatique dynamique du turbomoteur 10, le modèle informatique dynamique ayant des entrées dont des conditions de fonctionnement du turbomoteur 10 et des conditions de fonctionnement de l'aéronef 12. L'unité de commande 24 est également programmée pour calculer une limite dynamique concernant l'extraction d'énergie mécanique de l'arbre 18 au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur 10. On notera que l'expression "l'unité de commande 24 est programmée pour ..." équivaut à "le programme demande également à l'unité de commande 24 de ...". Dans une mise en oeuvre de la première forme de réalisation de l'invention, l'unité de commande 24 est également programmée pour demander l'extraction d'énergie mécanique de l'arbre 18 à un niveau ne dépassant pas la limite dynamique calculée concernant l'extraction d'énergie mécanique. Dans une variante, l'unité de commande 24 est également programmée pour calculer une limite dynamique de fréquence concernant l'extraction d'air de prélèvement du compresseur 14 au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur 10. Dans une autre variante, l'unité de commande 24 est également programmée pour demander l'extraction d'air de prélèvement du compresseur 14 à une fréquence ne dépassant pas la limite dynamique calculée de fréquence d'extraction d'air de prélèvement. Dans un exemple, la limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement et la limite dynamique d'extraction d'énergie mécanique sont calculées pour empêcher le turbomoteur 10 de caler. Dans une mise en oeuvre de la première forme de réalisation de l'invention, l'extraction d'énergie mécanique se fait par au moins un dispositif d'extraction 7 d'énergie mécanique 26 coopérant avec l'arbre 18. Dans une variante, au moins un dispositif parmi le/les dispositifs d'extraction d'énergie mécanique 26 est choisi dans le groupe comprenant un générateur électrique 28, une pompe hydraulique et une pompe pneumatique. Dans une autre variante, au moins un dispositif parmi le/les dispositifs d'extraction d'énergie mécanique 26 coopère avec l'arbre 18 par l'intermédiaire d'un boîtier 30 d'entraînement des accessoires. Dans encore une autre variante, non illustrée, au moins un parmi le/les dispositifs d'extraction d'énergie mécanique est directement accouplé avec l'arbre 18. D'autres exemples de dispositifs d'extraction d'énergie mécanique et d'accouplements d'arbres apparaîtront aux spécialistes de la technique. Dans une mise en oeuvre de la première forme de réalisation de l'invention, les conditions de fonctionnement du moteur entrées dans le modèle informatique dynamique du turbomoteur 10 comprennent, d'une manière nullement limitative, des températures du moteur et/ou des pressions de gaz (dont l'air et les gaz de combustion) en divers endroits dans le turbomoteur 10, la vitesse de rotation de l'arbre 18, des calages d'angles d'aubes fixes de guidage d'entrées et/ou d'aubes statoriques variables du compresseur, et/ou des volets d'échappement, etc. Dans la même mise en oeuvre ou dans une mise en oeuvre différente, les conditions de fonctionnement de l'aéronef entrées dans le modèle informatique dynamique du turbomoteur 10 comprennent, d'une manière nullement limitative, l'altitude de l'avion, la vitesse aérodynamique de l'avion, l'assiette de l'avion, par exemple l'angle de tangage de l'avion et/ou l'angle de lacet de l'avion par rapport aux filets d'air, aux demandes de propulsion telles que la position de la manette des gaz, et les demandes d'énergie mécanique d'extraction d'air de prélèvement. Dans une mise en oeuvre de la première forme de réalisation de l'invention, la limite dynamique calculée concernant l'extraction d'énergie mécanique et/ou la limite dynamique calculée de fréquence concernant l'air de prélèvement varient par étapes dans le temps au moins sur la base de variations de conditions de fonctionnement du moteur et de conditions de fonctionnement de l'aéronef dans le temps, se traduisant par l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur 10 dans le temps. Dans une autre mise en oeuvre, la limite dynamique calculée et/ou la limite dynamique calculée de fréquence varient en continu dans le temps. On notera, par exemple, que dans certaines conditions de fonctionnement, des limites d'extraction d'énergie mécanique de l'arbre 18 plus élevées que pour d'autres conditions de fonctionnement sont permises sans faire courir un risque de calage du 8 moteur, cette détermination de limite entrant dans les compétences ordinaires des spécialistes de la technique. Ainsi, dans une forme de réalisation, l'unité de commande 24 permet, au cours de la durée d'un vol de l'aéronef 12, l'extraction d'une plus grande quantité d'énergie mécanique de l'arbre 18 que ne le permet, dans la technique antérieure, l'utilisation d'une limite fixe concernant le maximum d'énergie mécanique, cette limite fixe étant choisie pour empêcher le moteur de caler quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur et de l'aéronef. Dans une mise en oeuvre de la première forme de réalisation de l'invention, illustrée sur la Fig. 3, l'unité de commande 24 est connectée, par une première ligne 32 de signaux d'instructions, à une vanne 34 dans un conduit 36 d'air de prélèvement et est connectée au boîtier d'entraînement des accessoires 30 par une seconde ligne 38 de signal de commande. Le boîtier d'entraînement des accessoires 30 est commandé par l'unité de commande 24, via la seconde ligne 38 de signal d'instruction, pour permettre au générateur électrique 28, par l'intermédiaire de son arbre d'entraînement 40, d'extraire de l'énergie mécanique de l'arbre 18. On notera que la chambre de combustion et d'autres organes essentiels et optionnels du turbomoteur 10, ainsi que les entrées de signaux de conditions de fonctionnement du moteur et de l'aéronef dans l'unité de commande 24 et d'autres sorties de l'unité de commande 24 n'ont pas été présentés sur la Fig. 3 pour rendre celle-ci plus claire, mais sont bien connus des spécialistes de la technique. Comme peut le comprendre l'homme de l'art, une deuxième forme, plus large, de réalisation de l'invention concerne une unité de commande 24 servant à faire fonctionner un turbomoteur 10, le turbomoteur 10 pouvant être installé dans une plate-forme d'installation 32, le turbomoteur 10 comprenant un compresseur 14, une turbine 16 et un arbre 18 accouplant la turbine 16 avec le compresseur 14. L'unité de commande 24 contient un programme qui demande à l'unité de commande 24 d'exécuter un modèle informatique dynamique du turbomoteur 10, le modèle informatique dynamique ayant des entrées dont les conditions de fonctionnement du turbomoteur 10 et les conditions de fonctionnement de la plate-forme d'installation 32. L'unité de commande 24 est également programmée pour calculer une limite dynamique concernant l'extraction d'énergie mécanique de l'arbre 18 au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur 10. On notera que les mises en oeuvre, variantes, applications, etc. (en dehors des formes spécifiques ne concernant que des aéronefs) de la première forme de réalisation de l'invention sont aussi bien applicables à la deuxième forme de 9 réalisation de l'invention, le terme "aéronef' étant remplacé par "plate-forme d'installation". On peut citer, comme exemples nullement limitatifs de plate-forme d'installation (en dehors d'un aéronef servant de plate-forme d'installation), un hélicoptère, un navire, une centrale électrique, une locomotive, une station de pompage et une cuve. lo LISTE DES REPERES 10 turbomoteur 12 aéronef 14 compresseur 16 turbine 18 arbre 20 bloc 22 bloc 24 unité de commande 26 dispositif d'extraction d'énergie mécanique 28 générateur électrique 30 boîtier d'entraînement des accessoires 32 première ligne de signal d'instruction de 24 à 34 34 vanne 36 conduit d'air de prélèvement 38 deuxième ligne de signal d'instruction de 24 à 30 40 arbre d'entraînement de 28 REVENDICATIONS 1. Procédé pour faire fonctionner un turbomoteur (10) installé dans un aéronef (12), dans lequel le turbomoteur comprend un compresseur (14), une turbine (16) et un arbre (18) accouplant la turbine avec le compresseur, et dans lequel le procédé comprend des étapes consistant à : exécuter un modèle informatique dynamique du turbomoteur, le modèle informatique dynamique ayant des entrées dont des conditions de fonctionnement du turbomoteur et des conditions de fonctionnement de l'aéronef ; et calculer une limite dynamique concernant l'extraction d'énergie mécanique à partir de l'arbre au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant aussi une étape consistant à extraire de l'énergie mécanique de l'arbre à un niveau ne dépassant pas la limite 15 dynamique calculée pour l'extraction d'énergie mécanique. 3. Procédé selon la revendication 2, comprenant également une étape consistant à calculer une limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement du compresseur au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. 20 4. Procédé selon la revendication 3, comprenant également une étape consistant à extraire de l'air de prélèvement du compresseur à une fréquence non supérieure à la limite dynamique calculée de fréquence d'extraction d'air de prélèvement. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la limite dynamique de 25 fréquence d'extraction d'air de prélèvement et la limite dynamique d'extraction d'énergie mécanique sont calculées pour empêcher que le turbomoteur ne cale. 6. Unité de commande (24) pour faire fonctionner un turbomoteur (10) installé dans un aéronef (12), dans laquelle le turbomoteur comprend un compresseur (14), une turbine (16) et un arbre (18) accouplant la turbine avec le compresseur, et 30 l'unité de commande contient un programme qui demande à l'unité de commande de : a) exécuter un modèle informatique dynamique du turbomoteur, le modèle informatique dynamique ayant des entrées dont des conditions de fonctionnement du turbomoteur et des conditions de fonctionnement de l'aéronef ; et 11 12 b) calculer une limite dynamique concernant l'extraction d'énergie mécanique de l'arbre au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. 7. Unité de commande selon la revendication 6, dans laquelle l'unité de commande est également programmée pour demander l'extraction d'énergie mécanique de l'arbre à un niveau ne dépassant pas la limite dynamique calculée d'extraction d'énergie mécanique. 8. Unité de commande selon la revendication 7, l'unité de commande étant également programmée pour calculer une limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement du compresseur au moins sur la base de l'exécution du modèle informatique dynamique du turbomoteur. 9. Unité de commande selon la revendication 8, l'unité de commande étant également programmée pour demander l'extraction d'air de prélèvement du compresseur à une fréquence ne dépassant pas la limite dynamique calculée de fréquence d'extraction d'air de prélèvement. 10. Unité de commande selon la revendication 9, dans laquelle la limite dynamique de fréquence d'extraction d'air de prélèvement et la limite dynamique d'extraction d'énergie mécanique sont calculées pour empêcher que le turbomoteur ne cale.