Brevet FR3114359A1 — publié le 20220325

Procédé de détermination du point de fonctionn ement d’un compresseur Procédé de détermination en temps réel du point de fonctionnement d’un compresseur (10) comportant un carter annulaire (30) ayant un axe longitudinal et entourant plusieurs étages de compression, chacun de ces étages comprenant une roue à aubes mobiles (32, 34) entraînée en rotation et un redresseur muni d’aubes fixes (36, 38) ayant chacune un bord d’attaque et un bord de fuite, procédé consistant à imprimer en fabrication additive sur au moins une aube fixe de chacun de ces redresseurs au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale (42A, 42B, 42C ; 44A, 44B) et à déterminer à partir des mesures délivrées par ces capteurs de mesure imprimés en fabrication additive le point de fonctionnement du compresseur. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Procédé de détermination du point de fonctionnement d’un compresseur La présente invention se rapporte au domaine des compresseurs de turbomachines aéronautiques qu'elles soient simple corps, double corps ou triple corps, qu’il s’agit de compresseurs haute pression (HP), basse pression (BP) ou intermédiaire (IP) (Intermediate Pressure). Elle concerne plus particulièrement un procédé et un compresseur muni de capteurs permettant la détermination du point de fonctionnement de ce compresseur. Un des aspects de la certification d'un moteur aéronautique est son comportement en transitoire, c'est-à-dire en accélération ou en décélération. Les autorités de certification spécifient donc des temps d'accélération ou de décélération minimum que se doivent de respecter les moteurs. De plus, les avionneurs spécifient aussi des temps d'accélération et de décélération, qu'il faut aussi respecter. Ces exigences sont d'ailleurs souvent plus contraignantes que celles demandées par la certification (temps plus faibles, ou points de fonctionnement supplémentaires). Ces transitoires doivent être faits dans les limites de fonctionnement du moteur, c'est-à-dire dans ce qu'on appelle ses limites d'opérabilité qui doivent être assurées dans tout le domaine de vol déclaré de l’aéronef. C’est le cas en particulier des compresseurs dont le pompage ( stall ou surge en anglais) constitue une limite correspondant à un décrochage aérodynamique des aubes suivi d'une inversion périodique du flux dans la veine. Le fonctionnement d'un compresseur peut être visualisé en traçant son point de fonctionnement dans son champ (rapport de compression du compresseur vs débit réduit d'entrée). L'ensemble des points de fonctionnement d'un compresseur dans des conditions données s'appelle une ligne de fonctionnement, et s'obtient par exemple en faisant varier un paramètre de pilotage de la turbomachine tel que par exemple (liste non exhaustive) : son régime de rotation ou le rapport des températures entrée/sortie. On peut aussi tracer une ligne de pompage, de décrochage, de flottement ou d'instabilité, qui correspond à la limite à ne pas dépasser pour ne pas provoquer de pompage, de décrochage, de flottement ou tout autre instabilité aérodynamique. Pour simplifier, on appellera cette ligne limite "ligne de pompage" dans tout le reste du brevet. Un transitoire est un état temporaire entre deux points stabilisés. Les points stabilisés de départ et d’arrivée sont par définition situés sur la ligne de fonctionnement stabilisée. Les effets aérodynamiques, thermiques et mécaniques agissant sur la turbomachine étant dictés par des lois physiques différentes lors d'un transitoire, la ligne de fonctionnement transitoire ne suit pas la ligne de fonctionnement stabilisée. Ainsi, pour un compresseur haute pression (HP), la ligne de fonctionnement transitoire en accélération sera au-dessus de la ligne stabilisée. Pour un compresseur basse pression (BP), la ligne de fonctionnement transitoire sera au-dessus de la ligne stabilisée plutôt lors des phases de décélération, et partiellement lors des phases d'accélération, ce comportement dépendant grandement de l'architecture de turbomachine considérée. Pour des compresseurs triples corps, le compresseur intermédiaire IP pourra aussi être au-dessus de sa ligne stabilisée en transitoire, selon l'architecture considérée. Pour s'assurer de l'opérabilité d'un compresseur, c'est-à-dire pour s'assurer de ne jamais atteindre la ligne de pompage dans son champ, même dans des conditions critiques de fonctionnement, on se réserve lors de la conception de la turbomachine une marge suffisante entre la ligne de fonctionnement et la ligne de pompage, appelée marge au pompage, calculée grâce à la méthode appelée « stack-up de marge » qui consiste à sommer (en direct ou en quadratique) les risques liés aux phénomènes amenant à faire varier la position de la ligne de fonctionnement ou la ligne de pompage. Toutefois, cette réservation de marge a un fort impact sur le fonctionnement du moteur car, en dehors de ces conditions critiques, elle a pour résultat d’entraîner des temps d'accélération ou de décélération plus faibles. Elle a aussi pour conséquence de pénaliser inutilement les performances du moteur en dégradant les rendements des composants de manière à assurer la marge au pompage requise, alors que si on pouvait se permettre de concevoir le compresseur avec moins de marge, on pourrait avoir une ligne de fonctionnement plus haute et donc de meilleurs rendements et ainsi une meilleure performance. De plus, il existe une difficulté particulière à piloter les transitoires de manière optimale, car on maîtrise mal la marge résiduelle en transitoire, c'est-à-dire la position de la ligne de fonctionnement transitoire dans le champ par rapport à la ligne de pompage. La présente invention a donc pour but principal de pallier ces inconvénients en proposant un procédé permettant d’optimiser la turbomachine du point de vue de la performance (rendements et donc consommation spécifique) comme des transitoires (temps d'accélération et de décélération). Ce but est atteint par un procédé de détermination en temps réel du point de fonctionnement d’un compresseur axial comportant un carter annulaire ayant un axe longitudinal et entourant plusieurs étages de compression, chacun de ces étages comprenant une roue à aubes mobiles entraînée en rotation et un redresseur muni d’aubes fixes ayant chacune un bord d’attaque et un bord de fuite, procédé consistant à imprimer en fabrication additive sur au moins une aube fixe de chacun desdits redresseurs (de préférence sur ledit bord de fuite ou ledit bord d’attaque ou les deux) au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale et à déterminer à partir des mesures délivrées par ces capteurs de mesure imprimés le point de fonctionnement du compresseur. Par cette connaissance fine du point de fonctionnement de chaque étage de compression en temps réel, il devient possible de dimensionner les compresseurs au plus proche de leur point de rendement maximal et donc de gagner en performance globale. De même, il devient possible de mettre en place des lois de régulation affinées pour mieux piloter les transitoires, et gagner en temps d'accélération ou de décélération sans risque pour la turbomachine. Avantageusement, au moins un capteur de mesure supplémentaire de pression totale ou de pression statique ou de température totale est imprimé en fabrication additive sur ledit carter annulaire immédiatement en aval de chacun desdits redresseurs. L’invention concerne également un compresseur comportant un carter annulaire ayant un axe longitudinal et entourant plusieurs étages de compression comprenant chacun une roue à aubes mobiles entraînée en rotation et un redresseur muni d’aubes fixes ayant chacune un bord d’attaque et un bord de fuite, caractérisé en ce que, pour permettre la détermination du point de fonctionnement de ce compresseur, au moins une aube fixe de chacun desdits redresseurs comporte au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale imprimé en fabrication additive et une unité de traitement est configurée pour déterminer le point de fonctionnement du compresseur à partir des mesures délivrées par ces capteurs de mesure imprimés. Dans une configuration où le premier étage de compression est en outre précédé d'un redresseur d'entrée muni d’aubes fixes ayant chacune un bord d’attaque et un bord de fuite, ledit redresseur d’entrée comporte également au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale imprimé en fabrication additive. Avantageusement, ledit bord de fuite ou ledit bord d’attaque d’au moins une aube fixe de chacun desdits redresseurs comporte au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale imprimé en fabrication additive et au moins un capteur de mesure supplémentaire de pression totale ou de pression statique ou de température totale est imprimé en fabrication additive sur ledit carter annulaire immédiatement en amont de chacun desdits redresseurs. De préférence, ledit bord de fuite ou ledit bord d’attaque de ladite au moins une aube fixe de chacun desdits redresseurs comporte plusieurs capteurs de mesure imprimés en fabrication additive répartis radialement par rapport audit axe longitudinal. Avantageusement, chacun desdits redresseurs comporte plusieurs capteurs de mesure imprimés en fabrication additive répartis circonférentiellement autour dudit axe longitudinal, typiquement au niveau d’une aube fixe sur deux. Avantageusement, ledit au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale imprimé en fabrication additive est un capteur imprimé à encre métallique et le compresseur est l’un des compresseurs suivants : compresseur basse-pression, compresseur haute-pression, compresseur intermédiaire. L’invention se rapporte aussi à une turbomachine comportant un compresseur tel que précité. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : la illustre de façon schématique en demi-coupe axiale une turbomachine à laquelle est appliqué le procédé de l’invention, la montre un exemple de compresseur axial comportant un ensemble de capteurs de mesure pour la mise en œuvre du procédé de l’invention, la est une vue en bout du compresseur de la montant la disposition circonférentielle des capteurs de mesure. La montre une vue en demi-coupe axiale d’une turbomachine 10 d’axe longitudinal 12, en particulier une turbomachine double corps double flux, à laquelle peut être appliqué le procédé de détermination en temps réel du point de fonctionnement d’un compresseur selon l’invention. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à ce type de turbomachine double corps double flux et elle pourrait par exemple s’appliquer à un simple corps, un triple corps, un turboréacteur à soufflante carénée à très fort taux de dilution, à un turbopropulseur (avec hélice non carénée), ou à une architecture de type à rotor ouvert (open rotor). Classiquement une telle turbomachine comporte une veine primaire 14 parcourue par un flux chaud qu’entoure une veine secondaire 16 parcourue par un flux froid et elle comprend d’amont en aval par rapport à la direction des gaz d’éjection : une soufflante 18, un compresseur basse pression 20, un compresseur haute pression 22, une chambre de combustion annulaire 24, un ensemble de turbines haute et basse pression 26 et une tuyère d’éjection 28. Dans l’exemple illustré, chacun des compresseurs axiaux est muni, dans un carter annulaire, de roues à aubes mobiles et de redresseurs à aubes fixes disposés alternativement en une succession d’étages de compression adjacents. Le point de fonctionnement d'un compresseur dans son champ est défini par le couple rapport de pression totale (pressions totales en amont et en aval)/débit réduit. Le débit réduit est quant à lui défini par la relation et peut être obtenu par une mesure de débit (la même pour tous les étages du compresseur), une mesure de température totale en amont et une mesure de pression totale en amont. Toutefois, la mesure de débit étant difficile à obtenir de manière précise, surtout compte tenu des prélèvements et réintroductions existant à chaque étage du compresseur, on peut obtenir le débit réduit comme une fonction de la section A (connue car mesurable) et du Mach (qui est lié au rapport des pressions totale et statique Pt/Ps et à la constante g connue): WR = A.g(Pt/Ps), et, dans ce cas, on peut donc se contenter d'une mesure de pression totale et d'une mesure de pression statique. En pratique, le point de fonctionnement est le plus souvent défini par le couple rapport de pression totale/régime réduit, le régime réduit étant alors défini par la relation qui ne nécessite plus qu’une mesure de régime XN (le même pour tous les étages du compresseur) et une mesure de température totale en amont. Conformément à l’invention et comme le montre la , il est proposé d’imprimer en fabrication additive sur au moins les aubes fixes des redresseurs de chacun des étages de compression du compresseur, des capteurs de mesure d’au moins un paramètre physique tel que la pression totale, la pression statique ou la température totale. Ainsi, avec suffisamment de mesures, on peut obtenir le point de fonctionnement de chaque étage d'un compresseur axial (rapport de pression/régime réduit de chaque étage), au lieu du point de fonctionnement du compresseur global (rapport de pression totale/régime réduit). Cela permet de se focaliser sur l'étage du compresseur le plus proche du pompage, plutôt que de considérer le compresseur dans son ensemble et il devient alors possible de piloter le point de fonctionnement du compresseur selon l'étage de compression le plus critique. Cela est aussi valable pour un compresseur centrifuge portant un carter annulaire ayant un axe longitudinal et entourant un rouet entraîné en rotation. On peut, par exemple, comparer la position pression / régime réduit par rapport à une courbe objectif, et on détermine alors la variation de régime/ pression souhaitée pour se placer sur la courbe objectif. L’information est transmise à un calculateur pour permettre d’ajuster alors le débit de carburant / position des variabilités. Plus précisément, un carter annulaire 30 de compresseur ayant pour axe de symétrie l’axe longitudinal 12 entoure plusieurs étages de compression (deux dans l’exemple illustré) comprenant chacun une roue 32, 34 à aubes mobiles entraînée en rotation autour de cet axe longitudinal et un redresseur 36, 38 muni d’une pluralité aubes fixes ayant chacune un bord d’attaque 36a, 38a et un bord de fuite 36f, 38f. Le premier étage de compression peut être précédé d'un redresseur d'entrée 40 muni aussi d’une pluralité d’aubes fixes ayant chacune un bord d’attaque 40a et un bord de fuite 40f. Pour permettre la détermination en temps réel du point de fonctionnement du compresseur, chacun des étages de compression et, s’il est présent, le redresseur d’entrée, comportent, imprimé en fabrication additive sur le bord de fuite 36f, 38f, 40f d’au moins une aube fixe de chacun des redresseurs 36, 38, 40, au moins un capteur de mesure 42A, 44A, 46A d’un paramètre physique (pression ou température par exemple). De façon alternative ou cumulative, au moins un capteur de mesure 48, 50, 52 peut aussi être imprimé en fabrication additive sur le carter annulaire 30 immédiatement en aval de chacun des redresseurs ou en amont de chacune des aubes mobiles. Pour couvrir les dispersions radiales de pression et/ou de température dans la veine d’écoulement d’air 14, le bord de fuite de l’aube fixe de redresseur comporte de préférence plusieurs capteurs 42A, 42B, 42C ; 44A, 44B ; 46A, 46B, 46C répartis radialement par rapport à l’axe longitudinal 12 (typiquement compris entre 1 et 10 préférentiellement entre 2 et 3) et imprimés en fabrication additive. De même, pour couvrir les dispersions de pression ou de température autour de la veine d’écoulement d’air, et comme le montre la , les capteurs de mesure de chacun des redresseurs 36, 38, 40 sont avantageusement circonférentiellement répartis autour de l’axe longitudinal 12, typiquement au niveau d’une aube fixe sur deux, ou moins, sans que cette répartition ne soit limitative. Et plus particulièrement, pour couvrir les dispersions de pression ou de température sur la paroi du carter annulaire 30, les capteurs de mesure 48, 50, 52 imprimés en fabrication additive immédiatement en aval de chacun des redresseurs peuvent aussi être répartis de façon circonférentielle sur le carter annulaire. Pour avoir une détermination encore plus précise du point de fonctionnement du compresseur (par exemple pour mieux connaitre les transferts thermiques), il est envisageable d’équiper également les bords d’attaque 36a, 38a, 40a d’au moins une aube fixe de chacun des redresseurs 36, 38, 40 de capteurs de mesure 54A, 56A, 58A d’un paramètre physique imprimés en fabrication additive qui pourra être le même ou non que celui mesuré sur le bord de fuite de l’aube. De même, au moins un capteur de mesure 60, 62, 64 peut aussi être imprimé en fabrication additive sur le carter annulaire 30 immédiatement en amont de chacun des redresseurs. Bien entendu, comme pour les capteurs imprimés sur les bords de fuite des aubes fixes des redresseurs et ceux imprimés immédiatement en aval de ces redresseurs, ces capteurs de mesure imprimés sur les bords d’attaque ou immédiatement en amont de ces redresseurs peuvent être répartis à la fois radialement et circonférentiellement pour couvrir toutes les dispersions de pression ou de température en tout point de la veine d’écoulement d’air. L’ensemble des mesures délivrées par ces capteurs est remonté (seules quatre liaisons sont montrées à titre d’illustration) à un module de conversion 66 qui a pour fonction de mettre en forme les signaux reçus pour permettre leur traitement par une unité de commande de la turbomachine, par exemple le FADEC 68 du moteur, qui pourra à partir de ces mesures (et si nécessaire la connaissance de A et g) déterminer en temps réel le point de fonctionnement du compresseur. Les mesures faites grâce à ces capteurs permettent également de déterminer la marge au pompage, par exemple: Delta Stall Margin (SM) = Marge à débit constant avec ligne de fonctionnement (ou ligne basse comme une ligne de pompage constatée en essai) comme référence. SM = (Pi 3 – Pi 1)/ Pi 1, avec Pi 1 la pression à l’étage 1. Delta Pressure Ratio (dPRS) = Marge à débit constant avec ligne de pompage (ou ligne haute) comme référence. dPRS = (Pi 3 – Pi 1) / Pi 3. De plus, on peut estimer directement les rendements isentropiques des compresseurs à partir des pressions et températures totales, et même de chaque étage : Ou même les rendements polytropiques, à partir de la relation suivante: Avec l’invention, on peut donc réduire le besoin de marge au pompage et donc concevoir les compresseurs de manière à être sur les rendements maximum (notamment en optimisant le rendement de chaque étage), contrairement à l’art antérieur où la marge au pompage contraint de positionner la ligne de fonctionnement plus bas dans le champ (plus éloignée de la ligne de pompage) et donc avec des rendements plus faibles. En outre, la connaissance exacte des pressions et températures au niveau de chaque étage de compression permet d’assurer une surveillance précise du champ du compresseur HP en Pi vs WR et non plus seulement une estimation, lorsque celle-ci est assurée en C/P vs NR, comme il est connu. A partir des mesures de températures et pressions totales, on peut aussi piloter les ralentis au juste besoin de pression mini (on peut même asservir une consigne sur cette mesure par la régulation) plutôt que de se baser sur la construction de butée ralenti de pression mini basée sur un modèle calibré à l'avance. On régule donc sur une mesure plutôt que sur un modèle. Procédé de détermination en temps réel du point de fonctionnement d’un compresseur (10) comportant un carter annulaire (30) ayant un axe longitudinal (12) et entourant plusieurs étages de compression, chacun de ces étages comprenant une roue à aubes mobiles (32, 34) entraînée en rotation et un redresseur muni d’aubes fixes (36, 38) ayant chacune un bord d’attaque et un bord de fuite, procédé consistant à imprimer en fabrication additive sur au moins une aube fixe de chacun desdits redresseurs au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale (42A, 42B, 42C ; 44A, 44B) et à déterminer à partir des mesures délivrées par ces capteurs de mesure imprimés en fabrication additive le point de fonctionnement du compresseur. Procédé selon la revendication 1, dans lequel au moins un capteur de mesure supplémentaire de pression totale ou de pression statique ou de température totale est imprimé en fabrication additive sur ledit carter annulaire immédiatement en aval de chacun desdits redresseurs. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel ledit au moins un capteur de mesure est imprimé sur ledit bord de fuite (36f, 38f) ou ledit bord d’attaque (36a, 38a). Compresseur (10) comportant un carter annulaire (30) ayant un axe longitudinal (12) et entourant plusieurs étages de compression comprenant chacun une roue à aubes mobiles (32, 34) entraînée en rotation et un redresseur muni d’aubes fixes (36, 38) ayant chacune un bord d’attaque (36a, 38a) et un bord de fuite (36f, 38f), caractérisé en ce que, pour permettre la détermination du point de fonctionnement du compresseur, au moins une aube fixe de chacun desdits redresseurs comporte au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale (42A, 42B, 42C ; 44A, 44B) imprimé en fabrication additive et une unité de traitement (66, 68) est configurée pour déterminer le point de fonctionnement du compresseur à partir des mesures délivrées par ces capteurs de mesure imprimés en fabrication additive. Compresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un capteur de mesure supplémentaire de pression totale ou de pression statique ou de température totale (48, 50, 52) imprimé en fabrication additive sur ledit carter annulaire immédiatement en aval de chacun desdits redresseurs. Compresseur selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel le premier étage de compression est en outre précédé d'un redresseur d'entrée (40) muni d’aubes fixes ayant chacune un bord d’attaque (40a) et un bord de fuite (40f), caractérisé en ce que ledit redresseur d’entrée comporte au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale (46A, 46B, 46C) imprimé en fabrication additive. Compresseur selon la revendication 4 ou la revendication 6, caractérisé en ce que ledit bord de fuite ou ledit bord d’attaque d’au moins une aube fixe de chacun desdits redresseurs comporte au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale (54A, 56A, 58A) imprimé en fabrication additive. Compresseur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un capteur de mesure supplémentaire de pression totale ou de pression statique ou de température totale (60, 62, 64) imprimé en fabrication additive sur ledit carter annulaire immédiatement en amont de chacun desdits redresseurs. Compresseur selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que ledit bord de fuite ou ledit bord d’attaque de ladite au moins une aube fixe de chacun desdits redresseurs comporte plusieurs capteurs de mesure imprimés en fabrication additive (44A, 44B) répartis radialement par rapport audit axe longitudinal. Compresseur selon l’une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que chacun desdits redresseurs comporte plusieurs capteurs de mesure imprimés en fabrication additive (50) répartis circonférentiellement autour dudit axe longitudinal, typiquement au niveau d’une aube fixe sur deux. Compresseur selon l’une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que ledit au moins un capteur de mesure de pression totale ou de pression statique ou de température totale imprimé en fabrication additive est un capteur imprimé à encre métallique. Compresseur selon l’une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce qu’il consiste en l’un des compresseurs suivants : compresseur basse-pression, compresseur haute-pression, compresseur intermédiaire. Turbomachine comportant un compresseur selon l'une quelconque des revendications 4 à 12.