Brevet FR3087259A1 — publié le 20200417

DISPOSITIF D'ALIMENTATION EN AIR COMPRIME D'UN AERONEF ET SON PROCEDE D'UTILISATION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne notamment un dispositif d'alimentation en air comprimé d'un aéronef et son procédé d'utilisation. ETAT DE L'ART Une turbomachine d'aéronef comprend classiquement un moteur ou générateur de gaz comportant d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine, au moins un compresseur, une chambre de combustion, et au moins une turbine. Le moteur est alimenté en air par une manche d'entrée d'air et une tuyère permet d'évacuer les gaz de combustion sortant de la turbine du moteur. Il est connu de prélever de l'air du moteur, en particulier sur un compresseur, pour répondre à différents besoins : - la pressurisation d'enceintes de lubrification de paliers, - l'alimentation d'un système de conditionnement d'air de l'aéronef (ECS) en particulier pour la pressurisation de la cabine, - la décharge d'air par des vannes de décharge (HBV) pour l'opérabilité du 20 compresseur, - l'antigivrage de parties froides de la turbomachine, - le refroidissement d'éléments de la turbomachine, etc. Pour contrôler un moteur, il est nécessaire de connaitre les débits d'air prélevés car ceux-ci impactent l'opérabilité du moteur. Pour être 25 conservatif, il faut impérativement que le débit utilisé pour cette correction ne soit jamais surestimé, de manière à toujours se protéger contre un phénomène de pompage du moteur. La mesure de débit doit donc fournir le débit minimal prélevé en temps réel, c'est-à-dire à un instant t. Parallèlement, la tolérance en sous-estimation du débit impacte 30 directement la marge au dévissage et la capacité d'accélération qui sont des spécifications clés du moteur. 2 Le moteur est plus sensible pour les faibles régimes moteurs (proches ralenti). Les débits prélevés ont une forte variabilité en fonction des conditions et du point de vol. Une approche prédictive basée sur les tables avionneurs ne permet pas forcément de répondre au besoin de 5 précision (plage de débit à tolérer trop large, précision et fiabilité des données fournies par l'aéronef). Par ailleurs, les prélèvements pour les besoins de l'aéronef sont très variables. La problématique est donc de pouvoir mesurer avec précision des débits très variables. La mesure du débit d'un flux d'air peut être effectuée au moyen d'un 10 Venturi. Le principe du tube Venturi est d'accélérer les particules d'air au niveau d'un col (réduction de section) du tube. Par référence à la figure 1 qui montre un Venturi, l'équation de Bernouilli (sans perte de charge) s'écrit : 1 Psi- Ps2 = -2p(V22 - Vi2) Avec Pst et Pst, les pressions statiques respectivement en amont 15 du col, au niveau de l'entrée du Venturi, et au niveau du col du Venturi, p la masse volumique de l'air s'écoulant à travers le Venturi, et V1 et V2, respectivement les vitesses du flux d'air en amont du col et au niveau du col. Du fait de la conservation du débit massique, on obtient : Pst- Ps2 =41,2 -11 Avec S1 et S2, les sections de passage respectivement en amont du col et au niveau du col du Venturi. L'accroissement de la vitesse du flux d'air provoque une diminution de la pression statique au niveau du col. Plus le col est mince, plus la dépression est grande. Cependant, il existe une limite due aux pertes de charges (proportionnelles aussi à V22). On comprend de la dernière équation ci-dessus que la connaissance de la différence de pression AP (Ps1-Ps2) permet de calculer la vitesse du flux d'air V1 et d'en déduire le débit du flux d'air puisque les autres paramètres (p, Si et S2) sont connus. Un Venturi permet donc de mesurer avec précision un débit mais en général pour des vitesses d'un flux d'air pas trop élevées. 5 La problématique est complexe car on veut mesurer avec précision des débits très variés. Pour la précision, on a besoin d'un col mince et pour faire passer les forts débits, on a besoin d'un col pas trop fin (mais plutôt long). Les besoins de précision de mesure et de capacité de passage de débit sont ainsi antagonistes. 10 Le Venturi est associé à un capteur de mesure de différence de pression AP (Ps2-Ps1) qui a une précision qui dépend de la plage de mesure de AP. C'est une précision en pourcentage de la plage de valeurs mesurables. Le fait d'avoir un seul Venturi impose d'avoir une plage de AP relativement grande, ce qui dégrade la précision de la mesure. 15 L'invention propose une solution simple, efficace et économique à ce problème. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose un dispositif d'alimentation en air comprimé d'un aéronef, comportant au moins une turbomachine configurée pour propulser 20 ledit aéronef et comportant au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine, ledit dispositif comportant : - un circuit d'air comprimé comportant des moyens de prélèvement d'air comprimé sur ledit au moins un compresseur et des moyens d'alimentation en air comprimé dudit aéronef, et 25 - un équipement de mesure d'une valeur du débit de flux d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement, à partir d'une valeur de différence de pression, cet équipement comportant : - un premier système de mesure de différence de pression, comprenant un Venturi et un capteur de mesure configuré pour mesurer une valeur de différence de pression entre un col et une entrée du Venturi, 4 caractérisé en ce que ledit équipement comprend en outre : - au moins un autre système de mesure de différence de pression qui est identique audit premier système et qui est monté en parallèle dudit premier système, 5 les Venturis desdits systèmes de mesure ayant leurs entrées raccordées auxdits moyens de prélèvement, et leurs sorties raccordées auxdits moyens d'alimentation de façon à ce qu"ils soient chacun traversés par un même débit d'air On, qui est égal à Q / n, avec Q un débit d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement 10 et n le nombre de systèmes de mesure de l'équipement. L'invention est basée sur le postulat que les capteurs de pression ont une précision qui dépend de leur plage de mesure de différence de pression. Plus la plage de mesure est grande et moins la mesure est précise. Un capteur ayant une plage de mesure étroite fournit donc une 15 mesure plus précise qu'un capteur ayant une plage de mesure grande. L'invention propose ainsi d'utiliser deux ou plus systèmes de mesure indépendants mais identiques à la place d'un unique système de mesure. Chaque système de mesure est apte et conçu pour mesurer avec une bonne précision des valeurs de différence de pression dans une plage de 20 mesure prédéterminée. Les plages de mesure des systèmes de mesure sont identiques. Une plage de mesure, comprise entre 0 et APmax, qui pourrait être assurée par un seul système de mesure, est alors assurée par plusieurs systèmes de mesure ayant une plage de mesure qui est divisée par le nombre n de systèmes de mesure de l'équipement, et qui est donc 25 comprise entre 0 et APmax/n. Du fait du montage en parallèle des différents systèmes de mesure, ils seront tous alimentés avec un même débit d'air. La mesure du débit d'air (On), et en particulier de la différence de pression, par un seul système de mesure permettra de déterminer le débit d'air prélevé (Q) par les moyens de prélèvement, par l'équation 30 Qn x n. Le dispositif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - les systèmes de mesure sont au nombre de trois ou quatre ; 5 - l'équipement est situé dans la turbomachine ou dans l'aéronef. L'invention concerne également un procédé d'utilisation d'un dispositif tel que décrit ci-dessus, dans lequel il comprend les étapes de : a) mesure d'une valeur de différence de pression au moyen d'au moins un des systèmes de mesure, 10 b) calcul du débit d'air qui traverse le Venturi dudit au moins un des systèmes de mesure, et détermination du débit d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement. Le procédé selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises isolément les unes des 15 autres ou en combinaison les unes avec les autres : - l'un des systèmes de mesure fournit une valeur de différence de pression à l'étape a) et le débit d'air correspondant est calculé à l'étape b), le débit d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement étant déterminé en multipliant ce débit d'air par le nombre n de systèmes de mesure. 20 - les autres systèmes de mesure fournissent des valeurs de différence de pression à l'étape a), le procédé comprenant une étape de comparaison de ces valeurs pour valider la détermination du débit d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement, - chaque système de mesure fournit une valeur de différence de pression à 25 l'étape a) et les débits d'air correspondant sont calculés à l'étape b), le débit d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement étant déterminé par la somme de ces débits d'air calculés. DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques 30 et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description 6 suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un système à Venturi de mesure d'une différence de pression, 5 - la figure 2 est une vue très schématique d'un dispositif d'alimentation en air comprimé d'un aéronef, - la figure 3 est une représentation très schématique d'un équipement de mesure d'une valeur d'un débit de flux d'air, cet équipement comportant plusieurs systèmes de mesure à Venturi. 10 DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 a été partiellement décrite dans ce qui précède et illustre un système 40 de mesure d'une différence de pression dans une conduite 42 de circulation d'un flux d'air, en vue de déterminer le débit de ce flux d'air. 15 Le système 40 comprend pour l'essentiel deux éléments à savoir un Venturi 44 et un capteur 46 de mesure d'une différence de pression notée A P. De façon classique, le Venturi 44 a une forme tubulaire et comprend d'amont en aval, dans le sens d'écoulement du flux d'air, une entrée 44a, un col 44b et une sortie 44c. L'entrée 44a a une section de passage notée 20 51 et le flux d'air a une vitesse V1 au niveau de cette entrée. Le col 44b a une section de passage notée S2 et le flux d'air a une vitesse V2 au niveau de ce col. Le capteur 46 est configuré pour mesurer la différence de pression Ps1-Ps2, entre l'entrée 44a et le col 44b, Ps désignant ici une pression 25 statique. La figure 2 illustre de manière très schématique un dispositif d'alimentation en air comprimé d'un aéronef 48, ce dispositif comportant : - au moins une turbomachine 10 configurée pour propulser l'aéronef 48, - un circuit 52 d'air comprimé comportant des moyens de prélèvement d'air 30 comprimé sur la turbomachine 10 et des moyens d'alimentation en air comprimé de l'aéronef 48, et 7 - un équipement 50 de mesure d'une valeur du débit de flux d'air prélevé par les moyens de prélèvement, à partir d'une valeur de AP mesurée par un système 40 tel que celui représenté à la figure 1. La figure 2 montre une partie de la turbomachine 10. De façon 5 classique, une turbomachine 10 comprend un générateur de gaz comportant, d'amont en aval, au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion et au moins une turbine. La figure 2 montre des carters de la turbomachine qui s'étendent autour d'un compresseur axialo-centrifuge. Un premier carter annulaire 12 10 s'étend autour d'étages axiaux 14 du compresseur, et un second carter annulaire 16 s'étend autour d'un rouet centrifuge 18 du compresseur ainsi que d'un ensemble diffuseur-redresseur 20 monté en sortie du rouet centrifuge et destiné à alimenter la chambre de combustion 22. Les carters 12, 16 sont en général fixés ensemble au moyen de 15 brides annulaires 24. La turbomachine 10 comprend des moyens de prélèvement d'air dans le compresseur, par exemple aux points ou plans C1, C2, C3 et C4. Les prélèvements d'air ont lieu à différents niveaux de pression. Les prélèvements pour l'air à pressions les moins élevées sont effectués au 20 droit des disques aubagés : la pression étant peu élevée sur les premiers disques, à l'amont, au plan de prélèvement C1, puis augmentant vers les disques aubagés suivants disposés plus à l'aval au plan de prélèvement C2. Et les prélèvements pour l'air aux pressions les plus élevées sont effectués au niveau du rouet centrifuge, la pression la plus élevée étant à 25 grand rayon au plan de prélèvement C4 alors que la pression à petit rayon au plan de prélèvement C3 est légèrement moins élevée. L'air prélevé est acheminé radialement vers l'extérieur, par référence à l'axe longitudinal A de la turbomachine, par des orifices 26 traversants prévus sur les carters 12, 16. 30 La figure 3 illustre le principe de l'invention qui consiste à doter le dispositif représenté à la figure 2 d'un équipement 50 de mesure d'une 8 valeur du débit de flux d'air prélevé par les moyens de prélèvement, à partir d'une valeur de AP, cet équipement comportant plusieurs systèmes 40 du type de celui représenté à la figure 1. Les systèmes de mesure 40 sont au moins au nombre de deux et 5 sont par exemple au nombre de trois ou quatre, comme dans l'exemple représenté. Les systèmes de mesure 40 sont montés en parallèle c'est-à-dire que leurs entrées respectives, c'est-à-dire les entrées 44a de leurs Venturis 44a sont raccordées les unes avec les autres aux moyens de prélèvement d'air comprimé dans le compresseur. Les sorties des 10 systèmes 40, c'est-à-dire les sorties 44c de leurs Venturis 44, sont raccordées aux moyens d'alimentation en air comprimé de l'aéronef 48. Les systèmes de mesure 40 sont identiques et sont en particulier conçus pour mesurer chacune une différence de pression dans une plage de valeurs prédéterminée. La plage de valeurs ou de mesure propre à un 15 système de mesure 40 est notée [0, AP]. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé de la façon suivante. Les systèmes de mesure 40 sont simultanément alimentés en air prélevé sur le compresseur. Du fait du montage en parallèle, le débit d'air prélevé, noté Q, se divise en n fois un débit noté On. n est le nombre de 20 branches de l'équipement et donc de systèmes de mesure 40 et On est le débit qui circule dans chacune de ces branches et alimente donc chaque Venturi 44. Le débit Q d'air prélevé peut être calculé en multipliant le débit d'air On mesuré par un des systèmes de mesure 40 par le nombre n de 25 systèmes de mesure, qui est de 4 dans l'exemple représenté. Pour vérifier la bonne précision de la mesure, il est possible de comparer les débits d'air On mesurés par les différents systèmes de mesure pour s'assurer que ces débits sont bien identiques. En variante, et dans la mesure où les branches de l'équipement et 30 donc les Venturis pourraient être alimentés avec des débits d'air légèrement différents, il est possible de calculer le débit d'air Q prélevé en additionnant simplement les débits d'air mesurés simultanément par les différents systèmes de mesure 40. Comme évoqué dans ce qui précède, un débit d'air est calculé à partir d'une valeur de différence de pression mesurée par un capteur de 5 pression. Ce calcul peut être réalisé par un calculateur propre à chaque système de mesure ou par un calculateur unique de l'équipement REVENDICATIONS1. Dispositif d'alimentation en air comprimé d'un aéronef (48) comportant au moins une turbomachine (10) configurée pour propulser ledit aéronef et comportant au moins un compresseur (12), une chambre de combustion (22) et au moins une turbine, ledit dispositif comportant : - un circuit (52) d'air comprimé comportant des moyens de prélèvement d'air comprimé sur ledit au moins un compresseur et des moyens d'alimentation en air comprimé dudit aéronef, et - un équipement (50) de mesure d'une valeur du débit de flux d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement, à partir d'une valeur de différence de pression, cet équipement comportant : - un premier système (40) de mesure de différence de pression, comprenant un Venturi (44) et un capteur de mesure (46) configuré pour mesurer une valeur de différence de pression entre un col (44b) et une entrée (44a) du Venturi, caractérisé en ce que ledit équipement comprend en outre : - au moins un autre système (40) de mesure de différence de pression qui est identique audit premier système et qui est monté en parallèle dudit premier système, les Venturis desdits systèmes de mesure ayant leurs entrées raccordées auxdits moyens de prélèvement, et leurs sorties raccordées auxdits moyens d'alimentation de façon à ce qu"ils soient chacun traversés par un même débit d'air Qn, qui est égal à Q / n, avec Q un débit d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement et n le nombre de systèmes de mesure de l'équipement. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les systèmes de mesure sont au nombre de trois ou quatre. 3. Procédé d'utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il comprend les étapes de : 11 a) mesure d'une valeur de différence de pression au moyen d'au moins un des systèmes de mesure, b) calcul du débit d'air qui traverse le Venturi dudit au moins un des systèmes de mesure, et détermination du débit d'air prélevé par lesdits 5 moyens de prélèvement. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'un des systèmes de mesure fournit une valeur de différence de pression à l'étape a) et le débit d'air correspondant est calculé à l'étape b), le débit d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement étant déterminé en multipliant ce débit 10 d'air par le nombre n de systèmes de mesure. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les autres systèmes de mesure fournissent des valeurs de différence de pression à l'étape a), le procédé comprenant une étape de comparaison de ces valeurs pour valider la détermination du débit d'air prélevé par lesdits moyens de 15 prélèvement. 6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel chaque système de mesure fournit une valeur de différence de pression à l'étape a) et les débits d'air correspondant sont calculés à l'étape b), le débit d'air prélevé par lesdits moyens de prélèvement étant déterminé par la somme de ces 20 débits d'air calculés.