Brevet FR3094086A1 — publié le 20200925

Description Titre de l'invention : Procédé de surveillance de l'état de fonc- tionnement d'un bloc hydromécanique Domaine technique [0001] L'invention concerne le domaine des unités de dosage de carburant, ou bloc hydro- mécanique sur les moteurs d'aéronefs, en particulier les turbomachines. [0002] L'invention concerne en particulier un procédé de surveillance de l'état de fonc- tionnement d'un bloc hydromécanique de turbomachine d'un aéronef [0003] Les moteurs actuels sont équipés d'une unité de dosage carburant, un bloc hydro- mécanique nommé plus communément FMU (« Fuel Metering Unit »). [0004] Le bloc hydromécanique communalise plusieurs fonctions. Il assure le dosage du carburant, c'est-à-dire l'information de débit qui découle d'un besoin dicté par une unité de contrôle de l'aéronef en fonction de la phase de vol, avec la précision relative exigée. Il permet aussi la coupure de carburant suite à commande pilote, et la coupure et/ou régulation du débit carburant dans le cas d'urgence d'une survitesse détectée par un capteur de régime de la partie haute et/ou basse pression du moteur. Enfin, il maintient un niveau de pression minimal dans le circuit carburant et permet la commande des géométries variables actionnées avec la puissance disponible dans le circuit. 100051 Une fois produit, monté et réglé, un bloc hydromécanique passe une ATP (« Acceptatwe Test Procedure ») pour vérifier que ses performances sont cohérentes de sa spécification. 100061 Comme illustré en figure I, un bloc hydromécanique B, piloté par une unité de contrôle 10 du moteur de l'aéronef est composé de plusieurs sous-systèmes : 100071 - une vanne de dosage 12 ou FMV pour « Fuel Metering Valve », qui a pour principale fonction de contrôler le débit d'injection par l'obturation graduelle d'une fente calibrée de passage de carburant à l'aide d'une pièce mobile, généralement appelé obturateur, 100081 - une servovalve 14 reliée au doseur permettant la mise en mouvement de la vanne 12, 100091 - un capteur de position 16 associé à cette vanne 12 (FMV) pour communiquer sa position au calculateur en temps réel, 100101 - une soupape de régulation 18 ou « By-pass Valve », assurant une recirculation de carburant non injecté (en fonction de la demande de débit). La soupape 18 sert aussi à maintenir constant le différentiel de pression de carburant AP entre l'amont et l'aval de la vanne de dosage 12, elle consiste typiquement en un dispositif purement passif 2 comprenant un obturateur mobile agissant contre l'action d'un ressort taré sur une valeur prédéterminée du différentiel AP à maintenir. L'obturateur est généralement perforé de manière à évacuer du carburant sur une canalisation menant à la boucle de recirculation, en fonction de sa position d'équilibre contre l'action du ressort, [0011] - un clapet stop 20 ou HPSOV pour « High Pressure Shut-off Valve », permettant l'injection ou non du carburant, [0012] - une servovalve 22 associée, qui commande le clapet stop et donc l'injection de carburant, [0013] - un solénoïde 24, appelé OSS pour « Overspeed Solenoid », qui assure une fonction redondante d'arrêt d'injection de carburant, utilisée en cas d'urgence. [0014] La vanne de dosage 12 constitue une vanne pilotée pour doser le débit de carburant envoyé aux injecteurs de la chambre de combustion du moteur. [0015] Le bloc hydromécanique B alimente ainsi un moteur M en carburant. [0016] Tous ces différents éléments fonctionnent en interrelation, sur commande de l'unité de contrôle 10 qui les pilotent un par un. Les flèches en pointillés symbolisent des transferts d'information. Les flèches pleines symbolisent des transferts de fluides (carburant). [0017] Le bloc hydromécanique B bénéficie d'un circuit carburant associé provisionnant une alimentation en carburant par un système de pompage 26 associé depuis un réservoir 28. [0018] Un circuit carburant interne à l'équipement permet en outre l'actionnement hy- draulique des actionneurs impliqués dans le fonctionnement du bloc hydromécanique. [0019] Un débitmètre 30, appelé WFM pour « WFM Water Flow Monitor » est intégré dans le périmètre moteur, afin de permettre de connaitre la consommation de carburant en sortie du bloc hydromécanique B. [0020] Pour ajuster la consigne de débit, il est nécessaire de calculer un débit dit reconstruit Qr. Ce débit correspond au débit théorique traversant la vanne de dosage. En particulier, la relation fondamentale suivante est utilisée : [0021] [Math. I] Qr = KsSijo [0022] Ks est un paramètre considéré comme lié à la géométrie de la vanne, S est la section de passage, p est la masse volumique et AP est l'écart de pression aux bornes de la vanne de dosage. [0023] Le bloc hydromécanique est un équipement complexe dont les différents composants peuvent s'user avec le temps et modifier la loi de dosage (débit dosé en fonction de la position du doseur) qui a été vérifiée en essais de production. [0024] Une dégradation progressive ne se révélera probablement pas sur le comportement du moteur, ni de manière significative ni dangereuse. En effet, en règle générale la 3 poussée fournie par les moteurs est régulée en boucle fermée sur le régime de rotation du moteur (nombre de tours par minute). Si un bloc hydromécanique se dégrade et voit sa loi de dosage modifiée, en régime stabilisé la régulation du moteur s'adaptera et compensera cette erreur. [0025] En revanche, à partir d'un certain degré de dégradation, cette erreur au sein de la loi de dosage pourrait dégrader la performance de conduite du moteur. [0026] De plus, certains « modes de régulation » du moteur font appel à la précision dc dosage. [0027] Enfin, le démarrage du moteur utilise lui entièrement et uniquement la précision de dosage. Toute dégradation au niveau du FMU itnpactera donc directement ces lois, avec pour conséquences possibles des risques de pompage du moteur ou d'extinction de la chambre de combustion. [0028] En sus du prix de la réparation ou du changement de l'équipement, le coût opé- rationnel lié à une panne du moteur peut se révéler très important pour la compagnie aérienne exploitante. [0029] Plus on détecte tôt une dégradation d'un équipement moteur, plus grandes sont les chances de réaliser l'opération de maintenance avant d'avoir un impact opérationnel. Exposé de l'invention [0030[ La solution technique proposée permet de couvrir ces cas de dégradation progressive d'un bloc de dosage et ainsi d'éviter des évènements opérationnels pour la compagnie qui exploite l'avion. [0031[ Dans ce but, l'invention propose un procédé de surveillance de l'état de fonc- tionnement d'un bloc hydromécanique de turbomachine d'un aéronef, ledit bloc hydromécanique comprenant : [00321 - une vanne de dosage, comprenant une pièce mobile de dosage et permettant de générer un débit passant en fonction notamment de la position de cette pièce mobile, - une soupape de régulation, configurée pour maintenir un écart de pression prédéterminé aux bornes de la vanne de dosage afin notamment de contrôler le débit au travers de la vanne de dosage, un débitmètre apte à mesurer le débit massique de carburant traversant la vanne de dosage, [0033] caractérisé en ce qu'un module de surveillance est configuré pour la mise en oeuvre du procédé selon les étapes suivantes : [0034] - détermination d'un débit reconstruit à partir de la position de la pièce mobile mesurée par un capteur de position de ladite pièce, et d'une mesure de la densité du carburant, [0035] - calcul d'un résidu correspondant à la différence entre le débit réel mesurée par le débitmètre et le débit reconstruit, et comparaison dudit résidu à une valeur seuil déterminée, [0036] - détermination d'un état de fonctionnement anormal du bloc hydromécanique en fonction du résultat de la comparaison. [0037] Avantageusement, le procédé comprend également les caractéristiques suivantes : [0038] les étapes de détermination d'un débit reconstruit, de calcul du résidu sont mises en oeuvre pour différents points stabilisés du domaine de vol de l'aéronef, permettant d'obtenir un vecteur de résidus, ledit vecteur de résidus étant comparé à un vecteur de valeurs seuil déterminées pour lesdits différents points stabilisés afin de déterminer l'état de fonctionnement du bloc hydromécanique; ledit résidu est stocké dans une mémoire du module de surveillance ; le bloc hydromécanique comporte également - un capteur de pression différentielle aux bornes de la vanne de dosage, - un capteur de température configure pour mesurer une température du carburant, [0039] et dans lequel le débit reconstruit est également déterminé à partir des données de pression différentielle mesurée par le capteur de pression différentielle et de température mesurée par le capteur de température ; [0040] la détermination d'un état anormal du bloc hydromécanique comporte pour les mesures de température, et/ou de densité, et/ou de position du doseur, et/ou de pression différentielle, les étapes de - comparaison d'au moins une desdites mesures à un intervalle de valeur nominale d'un capteur à partir duquel la mesure est obtenue, et - détermination d'un état de fonctionnement anormal du bloc hydromécanique correspondant à une panne ou à une dégradation du capteur, et/ou à une panne ou une dégradation d'un organe interne du bloc hydromécanique associé audit capteur, en fonction du résultat de la comparaison ; le procédé comporte également les étapes de - comparaison de la mesure obtenue à partir d'un desdits capteurs à une valeur de référence déterminée dudit capteur ; - détermination d'un état de fonctionnement anormal du bloc hydromécanique correspondant à une dégradation du capteur ou de l'organe interne du bloc hydromécanique associé audit capteur, en fonction du résultat de la comparaison. la valeur de référence est une valeur représentative de valeurs précédemment mesurées ; le procédé comporte également les étapes de : - consolidation du débit carburant reconstitué grâce aux mesures de pression, température, densité avec l'acquisition du débit massique ; - comparaison du débit carburant consolidé à une valeur de débit de référence ; et si la différence est supérieure à une valeur seuil déterminée - détermination d'un état de fonctionnement anormal du bloc hydromécanique correspondant à une dégradation de la loi de dosage. [0041] L'invention propose également un dispositif de régulation de carburant pour aéronef comprenant un bloc hydromécanique, ledit bloc hydromécanique comprenant : [0042] une vanne de dosage comprenant une pièce mobile de dosage et permettant de générer un débit passant en fonction notamment de la position de cette pièce mobile, une soupape de régulation configure° pour maintenir un écart de pression prédéterminé aux bornes de la vanne de dosage afin notamment de contrôler le débit au travers de la vanne de dosage, un débitmètre apte à mesurer le débit massique de carburant traversant la vanne de dosage, [0043] caractérisé en ce que le dispositif de régulation de carburant comporte un module de surveillance configure pour la mise en oeuvre du procédé selon les étapes précédemment décrites. [0044] Avantageusement, le dispositif de régulation comporte également : [0045] un capteur de pression différentielle aux bornes de la vanne de dosage, un capteur de température configure pour mesurer une température du carburant, [0046] le module de surveillance étant configure pour la mise en oeuvre du procédé selon les étapes précédemment décrites. [0047] Avantageusement, l'invention permet la surveillance de la dégradation de la loi de dosage d'un bloc hydromécanique ainsi que du vieillissement! dégradation des sous organes de l'équipement. Un indicateur de suivi utilise une mesure de débit massique comparée à une estimation utilisant des mesures de position, de densité du fluide dosé et de différence de pression aux bornes du doseur. Cet indicateur peut être extrait à différents points de fonctionnement au cours d'un vol, et permet un suivi en tendance, c'est-à-dire de vol en vol. [0048] L'ensemble de ces surveillances permet de prévenir et caractériser le vieillissement 6 des sous-organes, aussi bien que de repérer des pannes en cours d'établissement ou dormantes. Le stockage de ce diagnostic en mémoire interne à l'équipement permet à l'opérateur de maintenance d'enrichir sa connaissance de l'équipement au fil des heures de vol, et surtout de prévoir de manière plus agile de la maintenance programmée, ainsi qu'évaluer justement la pertinence financière de faire de la maintenance à l'échelle micro au sein de l'équipement ou bien d'ordonner un remplacement. [0049] Cette surveillance permet d'anticiper des pannes du bloc hydromécanique avant qu'elles ne créent un impact opérationnel pour la compagnie aérienne exploitante. Brève description des dessins [0050] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront dc la des- cription qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : [0051] [fig.1[ [0052] La figure 1 représente une architecture de bloc hydromécanique telle que connue de l'art antérieur, [0053] [fig.2j [0054] La figure 2 représente une architecture conforme à un mode de réalisation de [0055] [fig.3[ [0056] La figure 3 représente des étapes d'un procédé conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, [0057] [fig.4[ [0058] La figure 4 représente des étapes d'un procédé conforme à un second mode de réalisation de F invention, et [0059] [fig.5[ [0060] La figure 5 représente de façon plus détaillée des étapes d'un procédé conforme à un second mode de réalisation de l'invention. Description des modes de réalisation 100611 En référence à la figure 2, un dispositif de régulation de carburant va être décrit. Ce dispositif permet de gérer l'alimentation en carburant d'une turbine à gaz d'un aéronef (avion, hélicoptère, etc.). La turbine à gaz peut être une turbomachine, comme un turbopropulseur ou un turboréacteur. 100621 Le dispositif de régulation de carburant comprend un bloc hydromécanique 100 et un débitmètre massique 150. Par débitmètre, on entend tout appareil de mesure permettant de connaitre un débit massique de fluide, en l'occurrence un débit de carburant liquide ici. 7 [0063] Le bloc hydromécanique 100 comprend une vanne de dosage 130 qui gère l'écoulement de fluide. La vanne de dosage 130 comprend une surface, appelée surface d'ouverture du doseur carburant S, de taille variable, qui permet l'écoulement du liquide. Le débit Q délivré par la vanne de dosage 130 est donc notamment fonction de la surface S. [0064] La surface S est variable sur pilotage d'une servovalve 135, qui commande le dé- placement d'une pièce mobile 138 de dosage pour obstruer graduellement un orifice ou fente de dosage. Un ressort de maintien 137 tend à ramener la pièce mobile 138 vers une position par défaut, correspondant généralement à la plus petite section de passage de la fente de dosage, c'est-à-dire au débit de carburant minimum (débit de ralenti). Un capteur de position 131, relié à la carte électronique 110, permet de connaitre la position de la pièce mobile. Le capteur de position est typiquement un capteur LDVT litzear variable differential tratz.sformer I transducer»). La position de la pièce mobile est donc connue. La surface S peut ensuite être calculée, mais cette étape n'est plus nécessaire dans le cadre de l'invention. [0065] Tl existe différents types de vanne de dosage 130, par exemple à fente de dosage classique, décrite dans le document US7526911B2, ou à fente exponentielle, décrite dans les documents EP1231368A1 et P'R2825120A 1 . Dans le cas d'une fente exponentielle, l'ouverture S augmente exponentiellement avec le déplacement de la pièce mobile, qui permet une meilleure précision à bas débit. [0066] Le bloc hydromécanique 100 comprend de plus une soupape de régulation 140, assurant une recirculation de carburant non injecté, et servant aussi à maintenir constant le différentiel de pression de carburant AP entre l'amont et l'aval de la vanne de dosage 130. Cette soupape 140 peut être identique à la soupape de régulation 18 commentée en référence à la figure 1. Un capteur de pression différentielle 141, associé à la soupape de régulation 140, acquière la pression différentielle aux bornes de la vanne de dosage 130 [0067] Le bloc hydromécanique 100 comprend en outre une carte électronique 110. La carte électronique 110 communique avec la vanne de dosage 130 dans les deux sens : elle peut envoyer des consignes de position à la vanne 130 et récupérer des données relatives à la vanne 130. Elle communique aussi avec le débitmètre 150: du fait de son rôle de capteur, la communication ne se fait que dans un sens, de sorte que le débitmètre 150 peut envoyer la mesure du débit (ou une donnée devant être convertie en débit) à la carte électronique 110. [0068] La carte électronique 110 est en outre reliée à une unité de contrôle 200, externe au dispositif. L'unité de contrôle 200 est typiquement un module de régulation électronique (ECU) d'un FADEC, c'est-à-dire d'un système de régulation numérique pleine autorité qui contrôle les géométries variables (actionneurs, doseurs, etc.) de 8 l'aéronef L'unité de contrôle 200 se trouve dans le périmètre avion et n'est pas dédié uniquement à la régulation du carburant. Inversement, la carte électronique 110 est préférablement exclusivement dédiée au dosage du carburant et aux fonctions annexes. La liaison entre l'unité de contrôle 200 et la carte électronique 110 se fait généralement avec un harnais de connexion. [0069] Un capteur de température 160 est aussi prévu. Il permet de connaitre la température du carburant lorsque celui traverse le dispositif de régulation. Dans un mode de réalisation avantageux, le capteur 160 est intégré au bloc hydromécanique 100. [0070] Le bloc hydromécanique 100 comprend en outre un module de mémoire 120 configure pour stocker des informations relatives à la vanne de dosage 130, à la soupape de régulation 140 et/ou au débitmètre 150. Le module de mémoire 120 est relié à la carte électronique 110 qui peut y récupérer des données. [0071] Dans un mode de réalisation, la carte électronique 110 a pour rôle de centraliser les communications, sans calculer ni traiter de données. Par conséquent, les données relatives à la vanne de dosage 130, le débitmètre 150 et les caractéristiques stockées dans le module de mémoire 120 sont envoyés par la carte électronique 110 vers l'unité de contrôle 200 qui effectuent les calculs. [0072] Dans un autre mode de réalisation, la carte électronique 110 embarque du logiciel et peut générer des commandes. [0073] Le module de mémoire 120 est compris dans bloc hydromécanique 100 pour simplifier les opérations de maintenance, et pour permettre un remplacement de tout le bloc hydromécanique 100. Comme les données stockées dans le module de mémoire 120 sont propres à chaque vanne de dosage 130 ou chaque soupape de régulation 140, ou chaque débitmètre 150, un changement de de l'un de ces éléments implique des nouvelles données. [0074] Les données stockées sur le module de mémoire 120 ont pour fonction d'affiner la précision du dosage de carburant. Ces données sont obtenues lors d'essai de réception sur la vanne de dosage 130, la soupape de régulation 140, et le débitmètre 150 et permettent ensuite, une fois en vol, de déterminer un débit reconstruit Qr plus précis, qui permet ensuite de recaler plus finalement la consigne de débit générée. [0075] Un des avantages majeurs est la meilleure précision du dosage du carburant, ce qui permet, par exemple dans le cas d'un moteur d'aéronef, de faire baisser la consommation grâce à un dimensionnement plus ajusté du compresseur haute pression d'une turbomachine, et ainsi de diminuer les quantités de carburant à embarquer avant le vol, marges comprises. Cela permet de redimensionner l'aéronef et, de facto, la puissance des moteurs. [0076] En outre, cela a un impact très favorable sur l'opérabilité du moteur (meilleure facilité d'accélération, etc.). 9 [0077] La vanne de dosage 130 est régie par une loi de dosage, s'exprimant sous la forme suivante : [0078] [Math.2] = K 5' vp zP [0079] : [0080] Q est le débit massique, 1