Brevet FR3088964A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Commande d'une vanne de prélèvement d'air de compresseur Domaine technique [0001] L'invention se rapporte au domaine technique général des turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. Plus précisément, l'invention se rapporte à la commande d'une vanne de prélèvement d'air de compresseur pour turbomachine, telle qu'une vanne de décharge du compresseur. Technique antérieure [0002] Une turbomachine pour aéronef comprend généralement au moins un compresseur et une vanne de décharge du compresseur. La vanne de décharge du compresseur est destinée notamment à limiter les risques de pompage dans le compresseur. Elle pet-met de maintenir une différence de pression appropriée entre la pression de l'air en aval du compresseur et celle en amont du compresseur, en étant apte à dévier de l'air hors du compresseur. [0003] Il existe un besoin pour limiter la puissance nécessaire au fonctionnement d'une vanne de décharge d'un compresseur pour turbomachine, le temps de réponse de la vanne, et les régimes transitoires de déplacement de la vanne. Exposé de l'invention [0004] L'invention vise à résoudre au moins partiellement les problèmes rencontrés dans les solutions de l'art antérieur. [0005] A cet égard, l'invention a pour objet un système de commande d'une vanne de pré- lèvement d'air dans un compresseur pour turbomachine. La vanne est située dans un conduit de prélèvement d'air du compresseur qui est raccordé au compresseur. [0006] Selon l'invention, le système de commande est configure pour commander l'ouverture/la fermeture de la vanne en utilisant au moins une loi de déplacement de la vanne à partir d'une détermination de différence de pression dans le conduit entre une pression en amont de la vanne et une pression en aval de la vanne. [0007] Le système de commande comprend des moyens de détermination de différence de pression configurés pour déterminer la différence de pression dans le conduit entre la pression amont et la pression aval à partir : - d'une détermination de température dans le compresseur et/ou dans le conduit, et/ou - d'une mesure d'altitude de la turbomachine, et/ou - d'une détermination de pression ambiante dans une veine secondaire de la turbomachine et/ou dans le compresseur, et/ou -d'une détermination de la vitesse de rotation de l'arbre de turbomachine. 2 [0008] Grâce au système de commande selon l'invention, la commande de la vanne est plus précise et elle peut davantage être anticipée. Le temps de réponse de la vanne et la durée des déplacements de la vanne tendent à diminuer. L'actionneur de la vanne peut être moins puissant. La masse et l'encombrement du système de prélèvement d'air tendent à être réduits. [0009] L'invention peut comporter de manière facultative une ou plusieurs des caracté- ristiques suivantes combinées entre elles ou non. [0010] Selon une particularité de réalisation, le système de commande est configuré pour dé- terminer une vitesse d'ouverture/de fermeture de la vanne en utilisant la loi de déplacement de la vanne. [0011] Selon une particularité de réalisation, la loi de déplacement de la vanne est une loi prédéterminée. [0012] Selon une particularité de réalisation, le système de commande comprend une mémoire configurée pour enregistrer la loi prédéterminée de déplacement de la vanne. [0013] Selon une particularité de réalisation, le système de commande comprend un moteur électrique configuré pour ouvrir/fermer la vanne. [0014] Selon une particularité de réalisation, le système de commande comprend un système électronique de régulation de turbomachine qui est configuré pour commander l'ouverture/la fermeture de la vanne, notamment en commandant le moteur électrique. [0015] Selon une particularité de réalisation, le système de commande comprend une vanne de prélèvement d'air dans le compresseur et un système de commande tel que défini ci-dessus pour commander l'ouverture/la fermeture de la vanne. [0016] Selon une particularité de réalisation, la vanne est à ouverture variable, la vanne étant apte à occuper une pluralité de positions stables d'ouverture/de fermeture. [0017] De préférence, la vanne est apte à occuper une continuité de positions stables d'ouverture/de fermeture. En variante, la vanne est apte à occuper une pluralité de positions stables discrètes d'ouverture/de fermeture. [0018] De préférence, la vanne est une vanne de type papillon ou une vanne à clapet. [0019] Selon une particularité de réalisation, la vanne est une vanne de décharge d'un com- presseur. Elle est notamment configurée pour limiter la différence de pression de l'air entre l'aval et l'amont du compresseur. [0020] De préférence, la vanne comprend une position de sécurité vers laquelle elle se déplace en l'absence de sollicitation de la part du système de commande. Préférablement, la position de sécurité est une position extrême d'ouverture de la vanne. [0021] L'invention porte également sur une turbomachine comprenant un système de pré- lèvement d'air tel que décrit ci-dessus. [0022] L'invention se rapporte aussi à un procédé de commande d'une vanne de pré- lèvement d'air dans un compresseur pour turbomachine, ou de commande d'un 3 système de prélèvement d'air tel que décrit ci-dessus, au moyen d'un système de commande tel que décrit ci-dessus. [0023] Le procédé de commande comprend l'ouverture/la fermeture de la vanne en utilisant la loi de déplacement de la vanne à partir d'une détermination de différence de pression entre la pression amont et la pression aval. La différence de pression entre la pression amont et la pression aval est déterminée à partir : - d'une détermination de température dans le compresseur et/ou dans le conduit, et/ou [0024] - d'une mesure d'altitude de la turbomachine, et/ou - d'une détermination de pression ambiante dans une veine secondaire de la turbomachine et/ou dans le compresseur, et/ou - d'une détermination de la vitesse de rotation de l'arbre de turbomachine. Brève description des dessins [0025] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : [0026] [fig.1] est une représentation schématique partielle en coupe longitudinale d'une turbomachine, selon un premier mode de réalisation de l'invention ; [0027] [fig.2] est une représentation schématique partielle en demi-coupe longitudinale d'un système de prélèvement d'air de turbomachine ; [0028] [fig.3a] est une représentation schématique partielle du système de prélèvement d'air selon le premier mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant fermée ; [0029] [fig.3b] est une représentation schématique partielle du système de prélèvement d'air selon le premier mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant ouverte ; [0030] [fig.4a] est une représentation schématique fonctionnelle de l'actionneur du système de pré- lèvement d'air selon le premier mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant fermée ; [0031] [fig.4b] est une représentation schématique fonctionnelle de l'actionneur du système de pré- lèvement d'air selon le premier mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant ouverte ; [0032] [fig.5a] est une représentation schématique partielle du système de prélèvement d'air selon un deuxième mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant fermée ; [0033] [fig.5b] est une représentation schématique partielle du système de prélèvement d'air selon le deuxième mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant ouverte ; [0034] [fig.6a] est une représentation schématique partielle du système de prélèvement d'air selon un troisième mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant fermée ; [0035] [fig.6b] est une représentation schématique partielle du système de prélèvement d'air selon le troisième mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant ouverte ; [0036] [fig.7a] est une représentation schématique partielle du système de prélèvement d'air selon un quatrième mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant fermée ; [0037] [fig.7b] est une représentation schématique partielle du système de prélèvement d'air selon le quatrième mode de réalisation, la vanne du système de prélèvement étant ouverte. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0038] Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. [0039] La figure 1 représente une turbomachine 1 à double flux et double corps. La tur- bomachine 1 est un turboréacteur qui a une forme de révolution autour d'un l'axe longitudinal AX. [0040] La turbomachine 1 comprend, de l'amont vers l'aval sur le chemin d'un flux primaire FA, une manche d'entrée d'air 2, une soufflante 3, un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 6, une chambre de combustion 7, une turbine haute pression 8 et une turbine basse pression 10. [0041] Les directions amont et aval sont utilisés dans ce document en référence à l'écoulement global des gaz dans le turboréacteur, une telle direction est sensiblement parallèle à la direction de l'axe longitudinal AX. [0042] Le compresseur basse pression 4, le compresseur haute pression 6, la turbine haute pression 8 et la turbine basse pression 10 sont entourés par une veine secondaire d'écoulement d'un flux secondaire FB. [0043] Le compresseur haute pression 6 et la turbine haute pression 8 sont reliés méca- niquement par un arbre d'entraînement du compresseur haute pression 6, de sorte à former un corps haute pression de la turbomachine 1. De manière similaire, le compresseur basse pression 4 et la turbine basse pression 10 sont reliés mécaniquement par un arbre de turbomachine 1, de façon à former un corps basse pression de la turbomachine 1. [0044] Le compresseur basse pression 4, le compresseur haute pression 6, la chambre de combustion 7, la turbine haute pression 8 et la turbine basse pression 10 sont entourés par un carter interne 9 qui s'étend depuis le compresseur basse pression 4 jusqu'à la turbine basse pression 10. [0045] La figure 2 représente une vue partielle d'un compresseur axial de la turbomachine 1, et un système de décharge 30 du compresseur. Le compresseur axial représenté dans cet exemple à l'amont de la veine du flux primaire correspond au compresseur basse pression 4. [0046] Le compresseur basse pression 4 représenté comprend un rotor 11 et un stator 20 qui sont enveloppés par le carter interne 9. Il comprend plusieurs étages qui comportent chacun un auhage de rotor et un aubagc de stator. [0047] Chaque aubage de rotor comprend des aubes mobiles 12 et un disque de support des aubes mobiles 12. Chaque aubage de stator comprend une pluralité d'aubes fixes 22 qui sont espacées les unes des autres le long d'une direction circonférentielle du compresseur 4. [0048] Le système de décharge 30 du compresseur 4 comprend un conduit de dérivation 40, et de manière éventuelle une cavité de tranquillisation (non représentée) faisant partie du stator 20, à partir de laquelle le conduit de dérivation 40 peut acheminer l'air dévié du compresseur 4 sans perturbation centrifuge excessive. Le système de décharge 30 comprend en outre au moins une vanne de décharge 50, un dispositif de mesure 70, un dispositif électronique 80 de commande de la vanne, et un actionneur 90 de la vanne. [0049] Le système de décharge 30 du compresseur est un système de prélèvement d'air du compresseur. Plus précisément, le système de décharge du compresseur 30 est configuré pour dévier de l'air hors du compresseur 4 dans certaines situations, notamment lorsque la différence de pression entre l'aval et l'amont du compresseur est insuffisante. Le système de décharge 30 limite les risques de pompage dans le compresseur ainsi que les risques de décollement d'air des aubes 12, 22 de compresseur. Le pompage est un décollement tournant généralisé à la totalité des cubages. [0050] Dans le mode de réalisation représenté, le système de décharge 30 est un système de décharge du compresseur basse pression 4. Il est configuré pour dévier de l'air hors du compresseur basse pression 4 en cas de besoin lors du fonctionnement de la turbomachine 1. [0051] Le conduit de dérivation 40 comprend une entrée 41 et une sortie 43. Il a ty- piquement une forme de tube. L'entrée 41 débouche dans une partie aval du compresseur basse pression 4. La sortie 43 débouche par exemple dans la veine secondaire 42, notamment à travers le carter interne 9. Dans une autre configuration, La sortie du conduit de dérivation 40 peut déboucher à l'extérieur de la nacelle. [0052] L'entrée 41 du conduit est à une pression PI et à une température Tl qui sont élevées 6 par rapport à celles de l'écoulement dans la veine secondaire 42. La pression et la température tendent à diminuer dans le conduit 40 en direction de la sortie 43. [0053] La veine secondaire 42 est à une température ambiante TO et à une pression ambiante PO qui sont inférieures à celles à l'entrée 41 du conduit 40. [0054] La vanne 50 est située dans le conduit 40 de prélèvement d'air du compresseur, entre l'entrée 41 et la sortie 43 du conduit. La vanne 50 est une vanne de décharge de compresseur 4. [0055] La vanne 50 peut être de différents types. De manière générale, la vanne 50 peut être tout type de vanne qui est adapté à prélever de l'air du compresseur 4. Dans le premier mode de réalisation représenté, la vanne 50 est une vanne papillon 54. Dans le quatrième mode de réalisation, la vanne 50 est une vanne à clapet 52, fonctionnant comme une soupape. [0056] De manière générale et en référence notamment à la figure 7a. la vanne 50 comprend un obturateur 56, un siège 57 pour l'obturateur 56, et un moyen de rappel 58 de l'obturateur 56. L'obturateur 56 est mobile par rapport au siège 57, pour faire varier le débit d'air entre l'entrée 41 et la sortie 43 du conduit. Le moyen de rappel 58 comprend par exemple un ressort. [0057] La vanne 50 est à ouverture variable. La vanne 50 est apte à occuper une pluralité de positions stables d'ouverture/de fermeture. Une position stable d'ouverture/de fermeture est une position d'ouverture/de fermeture que la vanne 50 peut occuper en régime permanent d'écoulement dans le conduit 40, sous l'effet de l'actionneur 90 et du moyen de rappel 58. [0058] L'obturateur 56 de la vanne 50 est apte à occuper une continuité de positions stables d'ouverture/ de fermeture, entre une position extrême d'ouverture E0 qui est par exemple représentée à la figure 4a et une position extrême de fermeture EF qui est par exemple représentée à la figure 4b. La vanne 50 permet ainsi de faire moduler davantage le débit d'air prélevé du compresseur 6. [0059] La position extrême d'ouverture E0 est la position d'ouverture maximale de la vanne 50. La position extrême de fermeture EF est la position de fermeture maximale de la vanne 50 dans laquelle elle est fermée hermétiquement. [0060] La vanne 50 comprend une position de sécurité ER vers laquelle l'obturateur 56 est ramené en l'absence de sollicitation de la part du dispositif de commande 80. La position de sécurité ER est la position vers laquelle le moyen de rappel 58 sollicite la vanne 50, notamment en l'absence d'ordre du dispositif électronique de commande 80. La position de sécurité ER est la position d'ouverture maximale de la vanne 50, pour prélever de l'air des étages amont du compresseur 6 et pour limiter les risques de pompage et/ou de décollement d'air des aubes 12, 22 dans le compresseur 6. [0061] Le dispositif de commande 80 de la vanne et l'actionneur 90 forment conjointement 7 un système de commande de la vanne 50. [0062] En référence plus spécifiquement au premier mode de réalisation qui est représenté aux figures 3a, 3h, 4a et 4b, l'actionneur 90 comprend un moteur électrique 91 et une biellette 93 qui est reliée mécaniquement à l'obturateur 56. [0063] Le moteur électrique 91 est commandé par le dispositif électronique de commande 80 et il est configuré pour déplacer la biellette 93 pour ouvrir/fermer l'obturateur 56. [0064] En référence plus spécifiquement au deuxième mode de réalisation qui est représenté aux figures Sa et 5h, l'actionneur 90 comprend un moteur électrique 91, une biellette 93 qui est reliée mécaniquement à l'obturateur 56, et une crémaillère 95 qui est entre le moteur électrique 91 et la biellette 93. [0065] Le moteur électrique 91 est commandé par le dispositif électronique de commande 80. Le moteur électrique 91 est configuré pour entrainer la crémaillère 95 pour qu'elle déplace la biellette 93 et que la biellette 93 ouvre/ferme l'obturateur 56. [0066] En référence plus spécifiquement au troisième mode de réalisation qui est représenté aux figures 6a et 6b, l'actionneur 90 comprend un moteur électrique 91 qui est relié mécaniquement à l'obturateur 56. [0067] La tige de sortie 96 du moteur électrique 91 est reliée directement à l'obturateur 56 pour commander l'ouverture/la fermeture de l'obturateur 56. [0068] En référence conjointe aux trois premiers modes de réalisation, la vanne 50 est une vanne papillon 54 et l'actionneur 90 est configuré pour faire pivoter l'obturateur 56 entre sa position extrême d'ouverture EO et sa position extrême de fermeture EF. [0069] En référence plus spécifiquement au quatrième mode de réalisation qui est représenté aux figures 7a et 7b, la vanne 50 est une vanne à clapet 52. L'actionneur 90 est configuré pour déplacer l'obturateur 56 en translation dans le conduit 40 par rapport à son siège 57 entre sa position extrême d'ouverture EO et sa position extrême de fermeture EF. [0070] L'actionneur 90 comprend un moteur électrique 91 qui est relié mécaniquement à l'obturateur 56. La tige de sortie 96 du moteur électrique 91 est reliée directement à l'obturateur 56 pour commander l'ouverture/la fermeture de l'obturateur 56. [0071] Le dispositif de mesure 70 comprend au moins un capteur de température, et/ou un capteur de pression, et/ou un altimètre et/ou un détecteur de vitesse de rotation d'un arbre de turbomachine. Il est configuré pour mesurer : - la pression PI et/ou la température Ti dans le compresseur à proximité de l'entrée 41 du conduit, et/ou - l'altitude de la turbomachine 1, et/ou - la pression ambiante P0, et/ou - la température ambiante TO, et/ou - une vitesse de rotation VR de l'arbre de turbomachine. 8 [0072] Plus précisément, le dispositif de mesure 70 est configuré pour mesurer au moins la pression P1 et/ou la température T1 à proximité de l'entrée 41 du conduit, et au moins une vitesse de rotation VR de l'arbre de turbomachine. [0073] Le dispositif électronique de commande 80 comprend le système électronique de ré- gulation 82 de la turbomachine et une unité de commande 84. [0074] Le dispositif de commande 80 est configuré pour commander l'ouverture/la fermeture de la vanne 50 en utilisant au moins une loi de déplacement de la vanne 50 à partir d'une détermination de différence de pression dans le conduit 40 entre la pression amont P3 en amont de la vanne 50 et la pression aval P2 en aval de la vanne 50. [0075] Le système de régulation numérique 82 est également connu en anglais sous le ternie de « FADEC ». Il s'agit d'un système de commande central à deux voies redondantes et à pleine autorité. Il est configuré pour commander le comportement de la turbomachine 1 en tenant compte notamment des instructions d'un pilote. [0076] Le système de régulation numérique 82 est relié électriquement et numériquement à l'unité de commande locale 84 qui est configurée pour commander à l'actionneur 90 d'ouvrir/de fermer la vanne 50. [0077] De manière générale, dispositif électronique de commande 80 comprend au moins une unité de calcul 83 et une mémoire 81. La mémoire 81 contient une loi de déplacement de la vanne 50. Dans les modes de réalisation représentés, la loi de déplacement de la vanne 50 est une loi prédéterminée. [0078] La loi de déplacement de la vanne 50 permet de déterminer une consigne de position EC pour l'obturateur 56, ainsi qu'une vitesse d'ouverture VO et/ou de fermeture VF de la vanne, à partir de : - la position de départ EA de l'obturateur 56, - la différence de pression entre la pression amont P3 et la pression aval P2, et - la vitesse de rotation VR de l'arbre de turbomachine. [0079] Le dispositif électronique de commande 80 est configuré pour déterminer la différence de pression dans le conduit 40 entre la pression amont P3 et la pression aval P2 à partir : - d'une détermination de température T1 dans le compresseur 4 et/ou dans le conduit 40, [0080] - d'une mesure d'altitude de la turbomachine 1, - d'une détermination de pression ambiante PO clans une veine secondaire de la turbomachine 1, et/ou - d'une détermination de pression P1 dans le compresseur 4, et/ou - d'une détermination de la vitesse de rotation VR d'un arbre de turbomachine. [0081] Plus précisément, la différence de pression entre la pression aval P2 et la pression 9 amont P3 est déterminée par le dispositif électronique de commande 80, au moins à partir : - de la pression Pl et/ou de la température Tl à l'entrée 41 du conduit, et - d'une détermination de température ambiante TO et d'altitude de la turbomachine 1, ou d'une pression ambiante PO à l'altitude de la turbomachine. [0082] Le dispositif électronique de commande 80 et l'actionneur 90 commandent plus pré- cisément la vanne du fait de la loi de déplacement de la vanne. La commande de la vanne 50 peut être mieux anticipée par le dispositif électronique de commande 80. Du fait de cette anticipation, le temps de réponse de la vanne 50 à une modification de régime de la turbomachine 1 tend à diminuer. La durée des régimes transitoires de déplacement de la vanne 50 est moins longue. L'actionneur 90 de la vanne peut être moins puissant. La masse et l'encombrement du système de prélèvement d'air 30 tendent à être réduits. [0083] Du fait de sa puissance réduite, l'actionneur 90 comprend un moteur électrique 91, au lieu d'un actionneur pneumatique. La masse et l'encombrement du système de prélèvement d'air 30 tendent alors à diminuer. L'actionneur 90 ne nécessite pas d'alimentation pneumatique ou hydraulique pour fonctionner. [0084] Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite sans sortir du cadre de l'exposé de l'invention. [0085] En variante ou en plus, la turbomachine 1 comprend un système de décharge du com- presseur haute pression 6, qui est similaire au système de décharge 30 tel que décrit ci-dessus. [0086] En variante ou en plus, la turbomachine 1 comprend une vanne de prélèvement d'air pour refroidir un carter de turbine tel que le carter interne 9 et/ou des aubes telles que des aubes de turbines 8, 10. [0087] Le conduit 40 peut loger deux vannes 50 ou plus entre l'entrée 41 et la sortie 43 du conduit 40. Ces vannes 50 sont par exemple reliées fluidiquement en série. [0088] La vanne 50 ou au moins une des vannes 50 peut occuper une pluralité de positions stables discrètes d'ouverture/de fermeture au lieu d'une continuité de positions stables d'ouverture/de fermeture. [0089] En variante, le dispositif électronique de commande 80 comprend une unité de commande locale 84 qui est configurée pour commander àl'actionneur 90 l'ouverture/la fermeture de la vanne 50 indépendamment du système de régulation numérique 82 de la turbomachine. [0090] La loi de déplacement de la vanne peut être une loi évolutive plutôt qu'une loi prédé- terminée. En particulier, elle peut être modifiée en rapport avec l'usure et le vieillissement du compresseur 4 ou des données de maintenance du compresseur 4. [0091] La loi de déplacement de la vanne peut dépendre de facteurs supplémentaires, notamment pour estimer la différence de pression entre la pression aval P3 et la pression amont P2. [0092] L'altitude de la turbomachine, la pression ambiante PO et/ou la température ambiante TO peuvent être mesurées ou estimées par un dispositif de mesure qui est indépendant de la turbomachine 1, par exemple par un dispositif de mesure d'un aéronef qui comprend la turbomachine 1. 11 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6]