Brevet FR2960914A1 — publié le 20111209

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la régulation du débit de carburant à injecter dans une chambre de combustion de turbomachine. Le domaine d'application de l'invention est plus particulièrement celui des moteurs d'avions à turbine à gaz. L'invention est toutefois aussi applicable aux turbines d'hélicoptères et aux turbines industrielles. De façon courante, le débit de carburant est régulé par un doseur de carburant ou FMU ("Fuel Metering Unit") qui comporte une vanne de dosage ayant une section de passage variable en fonction de sa position, une différence de pression constante étant maintenue entre l'entrée et la sortie de la vanne de dosage. Une unité de régulation moteur génère une position de consigne en fonction d'un débit massique de carburant souhaité correspondant au point de fonctionnement désiré de la turbomachine. L'unité de régulation moteur reçoit une information fournie par un capteur et représentant la position effective de la vanne de dosage et commande la position de la vanne de dosage pour l'asservir à la position de consigne. La précision sur le débit est affectée par différents facteurs tels que l'erreur sur la détermination de la position de consigne, l'imprécision sur la mesure de la position effective de la vanne de dosage, les imprécisions de réglage initial de la vanne de dosage, l'imprécision de la relation entre position et section de passage, l'imprécision du maintien d'une différence de pression constante entre l'entrée et la sortie de la vanne de dosage, les dérives en température et les imprécisions dues à des remplacements de composants du dispositif de régulation. S'ajoutent les erreurs liées aux imprécisions sur la masse volumique du carburant et sur la variation de cette masse volumique en fonction de la température, erreurs qui peuvent être prépondérantes. La loi physique reposant sur l'équation de Bernouilli donne un débit Q fourni par la vanne de dosage tel que Q = KS .'1pAP où S est la section d'ouverture de la vanne de dosage, p la masse volumique du carburant, AP la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la vanne de dosage et K une constante. Ce débit Q est un débit intermédiaire entre débit volumique et débit massique. Du fait que c'est le débit massique que l'on cherche à réguler, puisque c'est ce débit qui est déterminant pour la performance de la combustion, les variations de masse volumique du carburant influent directement sur la précision de la régulation. Or, cette masse volumique peut varier de façon sensible selon la nature du carburant et la température. Différentes propositions ont été faites pour améliorer la précision de la régulation du carburant dans un moteur d'avion. Dans le document US 5 305 597, il est proposé d'utiliser pour la régulation l'information fournie par le débitmètre massique de l'avion. Toutefois cela n'est envisageable qu'en régime stabilisé et pour des débits massiques relativement importants pour que l'information de débit massique fournie par le débitmètre avion soit suffisamment précise. En effet, les débitmètres massiques ont habituellement une faible précision pour des débits réduits et une bande passante trop faible qui pénalise leur temps de réponse aux variations du débit lorsque ces variations ne sont ni faibles ni lentes. L'utilisation de la mesure fournie par le débitmètre avion est donc inefficace pour un régime moteur réduit, lors de phases transitoires (variations significatives du régime) ou même au démarrage. Dans le document US 7 107 169, il est proposé de créer un capteur virtuel via un filtre de Kalman permettant, par une estimation en temps réel de la correction de consigne de débit, d'utiliser la précision du débitmètre massique avion tout en s'affranchissant de son temps de réponse. Toutefois, ne peuvent être compensées les erreurs dues aux imprécisions du dispositif de régulation mentionnées plus haut pendant les phases transitoires. Dans le document US 7 204 076, il est proposé d'associer au doseur de carburant une mémoire de stockage de données identifiant des caractéristiques de calibration du doseur. Ces données sont lues par l'unité de régulation moteur à chaque initialisation du système. Toutefois, la masse volumique du carburant et ses variations ne sont pas prises en compte. L'impossibilité de prendre en compte tous les facteurs influençant la précision de la régulation de débit massique pendant toutes les phases de fonctionnement impose le respect de marges significatives pour déterminer les butées d'accélération et décélération au regard des limites de pompage du compresseur de la turbomachine et d'extinction de celle-ci. Obiet et résumé de l'invention Selon un de ses aspects, l'invention a pour but de fournir un procédé de régulation de débit du carburant injecté dans une chambre de combustion de turbomachine permettant d'injecter un débit massique de carburant souhaité avec une précision accrue et, par conséquent permettant un moindre écart entre butées d'accélération et de décélération et limites de pompage et d'extinction. Ce but est atteint grâce à un procédé comprenant le réglage du débit de carburant par asservissement de la position d'une vanne de dosage à une position de consigne fonction d'un débit massique de carburant souhaité, procédé selon lequel l'on corrige la position de consigne de la vanne de dosage d'une quantité fonction au moins de l'écart entre une valeur de mesure représentative du débit massique effectif de carburant délivré par la vanne de dosage et une valeur de consigne représentative du débit massique de carburant souhaité. Ainsi, la boucle de régulation classique de la position de la vanne de dosage est conservée et une boucle externe y est ajoutée comprenant un moyen de mesure de débit massique qui peut être le débitmètre massique avion normalement déjà existant. Une compensation efficace des imprécisions du doseur est ainsi apportée tout en prenant en compte les variations de masse volumique du carburant. Par rapport au procédé de régulation classique par asservissement de la position de la vanne de dosage, les modifications requises peuvent essentiellement être limitées à la programmation de l'unité de régulation moteur, sans ajout d'équipement. Avantageusement, la valeur de mesure est fournie par un débitmètre massique et la valeur de consigne est déduite de la valeur de débit massique de carburant souhaité par application d'une fonction représentative de la fonction de transfert du débitmètre. La quantité de correction de la position de consigne peut être calculée en fonction de l'écart entre valeur de mesure et valeur de consigne et en fonction de la valeur du débit massique de carburant. Par exemple, l'on calcule une quantité de base de correction de position de consigne en fonction de l'écart entre valeur de mesure et valeur de consigne et l'on pondère la quantité de base de correction de position de consigne par application d'un coefficient de pondération dont la valeur croît d'une valeur minimale inférieure à 1 jusqu'à 1 en fonction du débit massique de consigne ou de la valeur de mesure du débit massique. Une valeur nulle peut être conférée au coefficient de pondération lorsque la valeur de débit massique se trouve dans une plage dans laquelle la précision de mesure du débit massique est inférieure à la précision obtenue par asservissement de la position de consigne de la vanne de dosage. Selon un autre de ses aspects, l'invention a pour but de fournir un dispositif apte à mettre en oeuvre le procédé défini ci-avant. Ce but est atteint grâce à un dispositif comprenant : - une vanne de dosage pour délivrer le carburant destiné à être injecté dans la chambre de combustion ; - un circuit de commande de la position de la vanne de 10 dosage; - un capteur apte à fournir une information représentative de la position de la vanne de dosage ; et - une unité de régulation apte à élaborer une position de consigne de la vanne de dosage en fonction d'un débit massique de 15 carburant souhaité, l'unité de régulation étant reliée au circuit de commande de position et au capteur de position pour asservir la position de la vanne de dosage à la position de consigne, le dispositif comprenant en outre un débitmètre massique apte à fournir une valeur de mesure représentative du débit massique effectif 20 de carburant délivré par la vanne de dosage, et l'unité de régulation est conçue pour élaborer une quantité de correction de position de consigne à appliquer à ladite position de consigne en fonction au moins de l'écart entre la valeur de mesure et une valeur de consigne représentative du débit massique de carburant souhaité. 25 Avantageusement, l'unité de régulation est conçue pour dériver ladite valeur de consigne représentative de la valeur du débit massique de carburant souhaité par application d'une fonction représentative de la fonction de transfert du débitmètre. L'unité de régulation peut être conçue pour calculer la quantité 30 de correction de position de consigne en fonction de l'écart entre la valeur de mesure et la valeur de consigne et en fonction de la valeur du débit massique de carburant. Par exemple, l'unité de régulation peut être conçue pour calculer une quantité de base de correction de position de consigne en fonction de l'écart entre la valeur de mesure et la valeur de 35 consigne et pour pondérer la quantité de base de correction de position de consigne par application d'un coefficient de pondération dont la valeur croît d'une valeur minimale inférieure à 1 jusqu'à 1 en fonction du débit massique de consigne ou de la valeur de mesure du débit massique. Selon encore un autre de ces aspects, l'invention vise aussi une turbomachine équipée d'un dispositif tel que défini ci-avant. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique d'un moteur d'avion à turbine à gaz, - la figure 2 est un schéma simplifié d'un dispositif d'alimentation en carburant de la chambre de combustion d'un moteur d'avion tel que celui de la figure 1, selon un mode de réalisation de l'invention, et - les figures 3 et 4 sont des schémas fonctionnels illustrant un procédé de régulation de débit selon deux modes de réalisation de l'invention Description de modes de réalisation de l'invention Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après dans le cadre d'une application à un moteur de propulsion d'avion à turbine à gaz double corps tel que celui représenté très schématiquement sur la figure 1, l'invention étant toutefois applicable à d'autres moteurs d'avion, par exemple des moteurs à turbine à gaz à un seul corps ou à plus de deux corps, ainsi qu'à d'autres types de turbomachines. Le moteur de la figure 1 comprend une chambre de combustion 1, les gaz de combustion issus de la chambre 1 entraînant une turbine haute-pression (HP) 2 et une turbine basse-pression (BP) 3. La turbine HP 2 est couplée par un arbre HP à compresseur HP 4 alimentant la chambre de combustion en air sous-pression tandis que la turbine BP 3 est couplée à une soufflante 5 en entrée du moteur au moyen d'un arbre BP coaxial à l'arbre HP. Une boîte de relais d'accessoires ou AGB 7 est reliée par une 35 prise de puissance mécanique 9 à un arbre de turbine et comprend un ensemble de pignons pour l'entraînement de différents accessoires tels que des pompes, un ou plusieurs démarreurs/générateurs, un ou plusieurs générateurs à aimants permanents,... La figure 2 est un schéma d'un dispositif d'alimentation en carburant par un moteur tel que par exemple celui de la figure 1, selon un 5 mode de réalisation de l'invention. Le dispositif de la figure 2 comprend un groupe de pompage 10 et une unité de dosage carburant, ou FMU, 20 recevant du carburant haute pression provenant du groupe de pompage 10 et délivrant un débit de carburant contrôlé sur une conduite d'alimentation 30 acheminant le 10 carburant jusqu'à des injecteurs 32 de la chambre de combustion 1 du moteur. Une unité de coupure en stop et de pressurisation 40 comprend un clapet de coupure 42 monté sur la conduite 30 et piloté par une servovalve 44. Le groupe de pompage 10 comporte une pompe carburant 15 basse pression 12 qui reçoit du carburant provenant d'un réservoir (non représenté). Une pompe carburant haute pression 14 reçoit le carburant provenant de la sortie de la pompe 12 et délivre du carburant haute pression à la FMU. La FMU 20 comporte une vanne de dosage 22 dont la sortie 22s 20 est reliée à la conduite d'alimentation 30 et une soupape de dérivation 24 dont la sortie 245_ est reliée à l'entrée de la pompe 14 via une conduite de retour 26. La sortie de la pompe carburant haute pression 14 est reliée en commun à l'entrée de la vanne de dosage 22 et à l'entrée 24e de la soupape de dérivation 24. Cette dernière a une première chambre de 25 commande 24a portée à la pression en sortie de la pompe carburant haute pression 14 et une deuxième chambre de commande 24b ayant un port d'entrée relié à la sortie de la vanne de dosage 22 pour maintenir entre entrée 22e et sortie 225_ de la vanne de dosage 22 une différence de pression AP sensiblement constante fonction d'un ressort de tarage 24c 30 incorporé à la chambre 24b de la soupape de dérivation 24. La position de la vanne de dosage 22, qui détermine le débit de carburant fourni sur la conduite 30, est pilotée par une servo-valve 28. La servo-valve 28 est commandée par une unité de régulation du moteur ou ECU 34 afin de positionner la vanne de dosage 22 en fonction d'une valeur de consigne 35 de débit à fournir à la chambre de combustion. Un capteur de position 22a, par exemple de type LVDT ("Linear Variable Differential Transformer") fournit à l'ECU 34 une information représentative de la position effective de la vanne de dosage 22. Le clapet de coupure 42 est monté sur la conduite 30 en aval de la vanne de dosage 22. Le clapet de coupure 42 est amené en position de fermeture pour interrompe l'alimentation en carburant de la chambre de combustion en réponse à un ordre de fermeture reçu par la servo-valve 44 en provenance de l'ECU 34 ou du cockpit de l'avion, ou lorsque la pression dans la conduite d'alimentation 30 est inférieure à un seuil d'ouverture prédéterminé. Un dispositif d'alimentation en carburant tel que décrit ci-avant est bien connu en soi. Egalement de façon connue, il pourra aussi comporter divers filtres et échangeurs de chaleur et une unité de protection survitesse provoquant la coupure de l'alimentation en carburant en cas de détection de survitesse d'un arbre de turbine. Un débitmètre massique 50 est monté sur la conduite 30, par exemple en aval de l'unité 40 de coupure en stop et pressurisation. Le débitmètre 50 fournit à l'ECU 34 une information représentative du débit massique de carburant effectif fourni à la chambre de combustion 10. L'ECU 34 est agencée et programmée pour fournir à la servo- valve 28 un signal de commande de la position de la vanne de dosage 22 de la façon illustrée par le schéma de la figure 3. Une valeur de consigne de débit massique de carburant dmc est déterminée en fonction notamment du régime désiré du moteur et convertie par application d'une fonction fi en position de consigne pdc de la vanne de dosage, de façon connue. Conformément à l'invention, la position de consigne pdc ainsi déterminée est corrigée d'une quantité de correction de consigne de position ccp calculée en fonction de l'écart entre une valeur de mesure dmm fournie par le débitmètre 50 et représentative du débit massique effectif et une valeur de consigne dmc' représentative du débit massique de consigne dmc. La valeur de consigne dmc' est déduite de dmc par application d'une fonction de transfert f2 représentative de la fonction de transfert du débitmètre 50 (c'est-à-dire la relation entre la valeur réelle du débit massique et la valeur fournie par le débitmètre). On réalise ainsi une forme de filtrage du débit massique de consigne dmc pour assurer que la valeur filtrée dmc' évolue de façon comparable à celle de la valeur mesurée dmm. La quantité de correction de consigne de position ccp est calculée à partir de la différence entre dmc' et dmm en utilisant un réseau correcteur RC2 par exemple de type proportionnel et intégral, de façon en soi classique. La quantité de correction de consigne de position ccp ainsi déterminée est ajoutée à la position de consigne pdc pour obtenir une position de consigne corrigée pdcc. Le signal de commande de la servo-valve 28 est élaboré à partir de la différence entre la position de consigne corrigée pdcc et la position de consigne pdm mesurée par le capteur 221 en utilisant un réseau correcteur RC1 par exemple de type proportionnel et intégral, de façon en soi connue. La correction de la position de consigne de la vanne de dosage à partir d'une valeur de mesure représentant le débit massique effectif fourni par cette vanne permet de s'affranchir des erreurs liées au doseur, y compris en cas de remplacement de composants de celui-ci, ainsi que des erreurs liées aux variations de la masse volumique du carburant selon sa nature ou en fonction de la température. Dans le cas où le débitmètre massique présente une faible précision pour de faibles débits massiques, notamment dans le cas où cette précision est alors inférieure à celle de la FMU, l'effet de la correction de la position de consigne pourra être atténué en calculant la quantité de correction de consigne de position ccp non seulement en fonction de la différence entre dmc' et dmm, mais aussi en fonction du débit massique de consigne ou de la valeur de mesure du débit massique. Le mode de réalisation illustré par la figure 4 se distingue de celui de la figure 3 en ce que la quantité de correction de position de consigne ccp est obtenue en multipliant la quantité de correction de position de consigne de base ccpb élaborée par application du réseau correcteur RC2 par un coefficient de pondération cp dont la valeur croît par exemple linéairement d'une valeur minimale inférieure à 1 jusqu'à 1 en fonction du débit massique de consigne dmc. La valeur minimale de cp peut être la valeur nulle. On pourra par exemple donner à cp la valeur nulle pour la plage de débit massique [o,dmo] dans laquelle la précision de débitmètre massique 50 est inférieure ou égale à celle de la FMU 20, par exemple au plus égale à la moitié de la précision de la FMU, et la valeur 1 à partir de la valeur de débit massique dm1, pour laquelle la précision du débitmètre massique 50 est égale ou supérieure à celle du FMU 20, par exemple au moins deux fois supérieure. On notera que pour calculer cp on pourrait utiliser la valeur de mesure de débit massique dmm fournie par le débitmètre à la place de dmc. REVENDICATIONS1. Procédé de régulation du débit de carburant à injecter dans une chambre de combustion de turbomachine, comprenant le réglage du débit de carburant par asservissement de la position d'une vanne de dosage (22) à une position de consigne fonction d'un débit massique de carburant souhaité, caractérisé en ce que l'on corrige la position de consigne (pdc) de la vanne de dosage (22) d'une quantité (ccp) fonction au moins de l'écart entre une valeur de mesure (dmm) représentative du débit massique effectif de carburant délivré par la vanne de dosage et une valeur de consigne (dmc') représentative du débit massique de carburant souhaité (dmc). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de mesure (dmm) est fournie par un débitmètre massique (50) et la valeur de consigne (dmc') est déduite de la valeur de débit massique de carburant souhaité (dmc) par application d'une fonction (f2) représentative de la fonction de transfert du débitmètre. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la quantité de correction de la position de consigne (ccp) est calculée en fonction de l'écart entre valeur de mesure (dmm) et valeur de consigne (dmc') et en fonction de la valeur du débit massique de carburant. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on calcule une quantité de base de correction de position de consigne (ccpb) en fonction de l'écart entre valeur de mesure (dmm) et valeur de consigne (dmc') et l'on pondère la quantité de base de correction de position de consigne par application d'un coefficient de pondération (cp) dont la valeur croît à une valeur minimale inférieure à 1 jusqu'à 1 en fonction de la valeur du débit massique. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on confère une valeur nulle au coefficient de pondération (cp) lorsque la valeur de débit massique se trouve dans une plage dans laquelle la précision de mesure du débit massique est inférieure ou égale à la précision obtenue par asservissement de la position de consigne de la vanne de dosage.. Dispositif de régulation du débit de carburant à injecter dans une chambre de combustion de turbomachine, comprenant : - une vanne de dosage (22) pour délivrer le carburant destiné à être injecté dans la chambre de combustion ; - un circuit (28) de commande de la position de la vanne de dosage ; - un capteur (22a) apte à fournir une information représentative de la position de la vanne de dosage ; et - une unité de régulation (34) apte à élaborer une position de consigne de la vanne de dosage en fonction d'un débit massique de carburant souhaité, l'unité de régulation étant reliée au circuit de commande de position et au capteur de position pour asservir la position de la vanne de dosage à la position de consigne, le dispositif d'alimentation en carburant étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un débitmètre massique (50) apte à fournir une valeur de mesure (dmm) représentative du débit massique effectif de carburant délivré par la vanne de dosage (22), et en ce que l'unité de régulation (34) est conçue pour élaborer une quantité de correction de position de consigne (ccp) à appliquer à ladite position de consigne (pdc) en fonction au moins de l'écart entre la valeur de mesure (dmm) et une valeur de consigne (dmc') représentative du débit massique de carburant souhaité (dmc). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de régulation (34) est conçue pour dériver ladite valeur de consigne (dmc') de la valeur du débit massique de carburant souhaité par application d'une fonction de transfert (f2) représentative de la fonction de transfert du débitmètre (50). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'unité de régulation (34) est conçue pour calculer la quantité de correction de position de consigne (ccp) en fonction de l'écart entre la valeur de mesure (dmm) et la valeur de consigne (dmc') et en fonction de la valeur du débit massique de carburant. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'unité de régulation (34) est conçue pour calculer une quantité de base de correction de position de consigne (ccpb) en fonction de l'écart entre la valeur de mesure (dmm) et la valeur de consigne (dmc') et pour pondérer la quantité de base de correction de position de consigne par applicationd'un coefficient de pondération (cp) dont la valeur croît entre d'une valeur minimale inférieure à 1 jusqu'à 1 en fonction de la valeur du débit massique. 10. Turbomachine équipée d'un dispositif d'alimentation en carburant selon l'une quelconque des revendications 6 à 9.