Brevet FR3132766A1 — publié le 20230818

Cette estimation comporte : - une obtention d’un signal ( ) de mesure d’une grandeur physique résultant d’une vibration de la turbomachine (102) lors de tours successifs d’une pièce rotative de la turbomachine (102) ; - une obtention d’une fréquence de rotation ( ) de la pièce rotative pendant les tours successifs ; et - à partir de la fréquence de rotation ( ), une obtention d’une bande de fréquences ( ) du signal de mesure ( ) où le flottement risque de se produire. Elle comporte en outre : - une estimation d’un signal dit résiduel ( ) représentatif de composantes non-synchrones avec la rotation de la pièce rotative ; - un filtrage passe-bande du signal résiduel ( ) dans la bande de fréquences ( ) ; et - une estimation du flottement ( ) à partir du signal résiduel ( ) filtré. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 ESTIMATION D’UNE AMPLITUDE DE FLOTTEMENT D’UNE SOUFFLANTE D’UNE TURBOMACHINE Domaine technique de l’invention Le domaine général de l’invention est la surveillance de santé d’une turbomachine. En particulier, la présente invention concerne un procédé de calcul d’une amplitude de flottement d’une soufflante et d’une turbomachine d’entraînement de la soufflante, ainsi qu’un programme d’ordinateur et un dispositif correspondants, et un aéronef comportant un tel dispositif. Arrière-plan technologique Le flottement est un phénomène aéroélastique caractérisé par une instabilité oscillatoire permettant aux forces aérodynamiques d’apporter dangereusement de l’énergie à un système comportant une soufflante et une turbomachine d’entraînement de cette soufflante (turbines à gaz, turbines hydrauliques, turbines à vapeur, etc.). Ce phénomène peut réduire significativement le rendement de la turbomachine, voire l’endommager ou la détruire si le phénomène persiste. Pour cette raison, le flottement est étudié dès la phase de conception de la turbomachine. Des simulations et des tests approfondis sont effectués en phase de conception afin de caractériser et bien étudier ce phénomène pour optimiser les performances de la turbomachine ainsi que sa sécurité. Plus précisément, dans la phase de simulation, une modélisation par élément fini est effectuée pour identifier les modes propres du système et sa réponse à des divers types d’excitation. Dans la phase de tests, le phénomène de flottement est étudié sur un banc d’essais où la turbomachine opère à des régimes de fonctionnement divers. Une méthode est fréquemment utilisées dans la phase de tests pour calculer, conjointement avec la phase de simulation, des modes théoriques de flottement. Cette méthode (appelée « tip-timing » en anglais) est non-intrusive, et consiste à installer des capteurs (optiques, par exemple) à proximité des aubes afin de précisément mesurer les instants de passage des aubes. Il est ainsi possible d’en déduire la vibration d’une aube donnée à partir de l’écart entre l’instant de passage réelle et théorique. En raison des erreurs de modélisation, de l’instrumentation et de la variabilité entre les moteurs, les fréquences de flottements ne peuvent pas être précisément déterminées, mais simplement des bandes de fréquences dans chacune desquelles le flottement est susceptible de se produire. Une fois ces bandes de fréquences connues, il peut être nécessaire de surveiller le phénomène de flottement pendant une utilisation ultérieure de la turbomachine, par exemple pendant des essais de fonctionnement de la turbomachine. Cependant, lors de ces utilisations ultérieures, l’instrumentation tip-timing n’est généralement plus présente. Il est donc nécessaire de prévoir une méthode d’estimation du flottement pendant ces utilisations ultérieures. Pour cela, il est connu de l’état de la technique d’utiliser un procédé d’estimation d’un flottement d’une soufflante entraînée par une turbomachine, comportant : une obtention d’un signal de mesure d’une grandeur physique résultant d’une vibration de la turbomachine lors de tours successifs d’une pièce rotative de la turbomachine ; une obtention d’une fréquence de rotation de la pièce rotative pendant les tours successifs ; et à partir de la fréquence de rotation, une obtention d’une bande de fréquences du signal de mesure où le flottement risque de se produire. Le flottement est alors estimé à partir du signal de mesure filtré par un filtre passe-bande dans la bande de fréquences. Il a été constaté qu’un tel procédé connu donne un taux élevé de faux positifs, c’est-à-dire une amplitude élevée de flottement en l’absence de flottement réel. Il peut ainsi être souhaité de prévoir un procédé qui permette de s’affranchir d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités. Il est donc proposé un procédé d’estimation d’un flottement d’une soufflante entraînée par une turbomachine, comportant : une obtention d’un signal de mesure d’une grandeur physique résultant d’une vibration de la turbomachine lors de tours successifs d’une pièce rotative de la turbomachine ; une obtention d’une fréquence de rotation de la pièce rotative pendant les tours successifs ; et à partir de la fréquence de rotation, une obtention d’une bande de fréquences du signal de mesure où le flottement risque de se produire ; caractérisé par : une estimation d’un signal dit résiduel représentatif de composantes non-synchrones avec la rotation de la pièce rotative ; un filtrage passe-bande du signal résiduel dans la bande de fréquences ; et une estimation du flottement à partir du signal résiduel filtré. En effet, les inventeurs ont trouvé que la rotation de la pièce rotative pouvait entraîner la présence, dans le signal de mesure, d’une composante synchrone avec la rotation de la pièce. Ce signal synchrone varie généralement peut d’un tour à l’autre de la pièce rotative. Cela signifie que les valeurs du signal de mesure correspondant à une même position angulaire de la pièce rotative comportent toutes une partie sensiblement constante provenant de la résultant synchrone et une partie variant rapidement d’une valeur à la suivante (c’est-à-dire donc d’un tour au suivant de la pièce rotative). Or, cette composante synchrone peut présenter une partie de son spectre fréquentiel dans la bande de fréquences où le flottement risque de se produire, ce qui était la cause des faux positifs. Grâce à l’invention, l’amplitude du flottement est calculée, non pas sur la base du signal de mesure comportant le signal synchrone, mais sur la base du signal résiduel ne comportant sensiblement pas le signal synchrone, puisque ce dernier est représentatif de variations rapides du signal de mesure d’un tour à l’autre. Ainsi, le spectre de ce dernier ne risque pas de sensiblement fausser l’estimation de l’amplitude de flottement. L’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, selon toute combinaison techniquement possible. De façon optionnelle, l’estimation du signal résiduel comporte un filtrage passe-haut inter-tour du signal de mesure. De façon optionnelle également, le filtrage passe-haut inter-tour comporte : un filtrage passe-bas inter-tour du signal de mesure, pour obtenir un signal dit synchrone représentatif de variations lentes du signal de mesure d’un tour à l’autre de la pièce rotative ; et une soustraction du signal filtré passe-bas au signal de mesure. De façon optionnelle également, le filtrage passe-bas inter-tour comporte, pour chacune de plusieurs positions angulaires de la pièce rotative : une obtention, à partir du signal de mesure, de valeurs de la grandeur physique lorsque la pièce rotative est à la position angulaire considérée pour respectivement plusieurs tours consécutifs ; et un filtrage passe-bas de ces valeurs de même position angulaire. De façon optionnelle également, l’obtention des valeurs de même position angulaire comporte un ré-échantillonnage angulaire du signal de mesure à partir de la fréquence de rotation. De façon optionnelle également, le signal de mesure ré-échantilloné angulairement comporte plus d’échantillons que le signal de mesure. De façon optionnelle également, le filtrage passe-bas comporte l’un parmi : une moyenne glissante, une médiane glissante et une régression polynomiale. De façon optionnelle également, le filtrage passe-bande comporte l’un parmi : une utilisation d’un filtre passe-bande et une application d’un algorithme de Vold-Kalman mono-composant. De façon optionnelle également, le filtrage passe-bande comporte une application d’un algorithme de Vold-Kalman mono-composant utilisant une équation structurelle, le signal résiduel étant modélisé par : où est le signal résiduel, est le nombre d’échantillons du signal résiduel, , est la fréquence d’échantillonnage, est la fréquence centrale de la bande de fréquences ( ), est une enveloppe de flottement et est un bruit, l’enveloppe de flottement étant calculée par : où , est une matrice décrivant l’équation structurelle sous forme matricielle, est la matrice identité de taille et est un paramètre de pénalisation positive, la matrice étant considérée comme circulante, et le flottement ( ) étant déterminé à partir de l’enveloppe de flottement . Il est également proposé un procédé de surveillance d’une turbomachine équipant un aéronef, comportant : une estimation d’une amplitude d’un flottement d’une soufflante entraînée par la turbomachine, selon l’invention ; et une classification d’un fonctionnement de la turbomachine à partir de l’amplitude de flottement estimée. Il est également proposé un programme d’ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur, caractérisé en ce qu’il comprend des instructions pour l’exécution des étapes d’un procédé selon l’invention, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Il est également proposé un dispositif d’estimation d’un flottement d’une soufflante entraînée par une turbomachine, comportant : un module pour obtenir un signal de mesure d’une grandeur physique résultant d’une vibration de la turbomachine lors de tours successifs d’une pièce rotative de la turbomachine ; un module pour obtenir une fréquence de rotation de la pièce rotative pendant les tours successifs ; et un module pour obtenir, à partir de la fréquence de rotation, une bande de fréquences du signal de mesure, où le flottement risque de se produire ; caractérisé en ce qu’il comporte en outre : un module d’estimation d’un signal dit résiduel représentatif de composantes non-synchrones avec la rotation de la pièce rotative ; et un module de filtrage passe-bande du signal résiduel dans la bande de fréquences et d’estimation du flottement à partir du signal résiduel filtré. Il est également proposé un aéronef comportant : une soufflante ; une turbomachine d’entraînement de la soufflante ; un dispositif d’estimation d’une amplitude d’un flottement de la soufflante, selon l’invention. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la est une vue fonctionnelle d’une installation selon l’invention de détection d’un flottement, la est un schéma blocs illustrant un procédé de détection de flottement selon l’invention, la est regroupe un chronogramme et un spectre fréquentiel d’un signal mesuré, et la illustre les traitements de signaux réalisés dans le procédé de la . Procédé d’estimation d’un flottement ( ) d’une soufflante (104) entraînée par une turbomachine (102), comportant : une obtention d’un signal ( ) de mesure d’une grandeur physique résultant d’une vibration de la turbomachine (102) lors de tours successifs d’une pièce rotative de la turbomachine (102) ; une obtention d’une fréquence de rotation ( ) de la pièce rotative pendant les tours successifs ; et à partir de la fréquence de rotation ( ), une obtention d’une bande de fréquences ( ) du signal de mesure ( ) où le flottement risque de se produire ; caractérisé par : une estimation d’un signal dit résiduel ( ) représentatif de composantes non-synchrones avec la rotation de la pièce rotative ; un filtrage passe-bande du signal résiduel ( ) dans la bande de fréquences ( ) ; et une estimation du flottement ( ) à partir du signal résiduel ( ) filtré. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’estimation du signal résiduel ( ) comporte un filtrage passe-haut inter-tour du signal de mesure ( ). Procédé selon la revendication 2, dans lequel le filtrage passe-haut inter-tour comporte : un filtrage passe-bas inter-tour du signal de mesure ( ), pour obtenir un signal dit synchrone ( ) représentatif de variations lentes du signal de mesure ( ) d’un tour à l’autre de la pièce rotative ; et une soustraction du signal filtré passe-bas ( ) au signal de mesure ( ). Procédé selon la revendication 3, dans lequel le filtrage passe-bas inter-tour comporte, pour chacune de plusieurs positions angulaires de la pièce rotative : une obtention, à partir du signal de mesure ( ), de valeurs de la grandeur physique lorsque la pièce rotative est à la position angulaire considérée pour respectivement plusieurs tours consécutifs ; et un filtrage passe-bas de ces valeurs de même position angulaire. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’obtention des valeurs de même position angulaire comporte un ré-échantillonnage angulaire du signal de mesure ( ) à partir de la fréquence de rotation ( ). Procédé selon la revendication 5, dans lequel le signal de mesure ré-échantilloné angulairement ( ) comporte plus d’échantillons que le signal de mesure ( ). Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel le filtrage passe-bas comporte l’un parmi : une moyenne glissante, une médiane glissante et une régression polynomiale. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le filtrage passe-bande comporte l’un parmi : une utilisation d’un filtre passe-bande et une application d’un algorithme de Vold-Kalman mono-composant. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le filtrage passe-bande comporte une application d’un algorithme de Vold-Kalman mono-composant utilisant une équation structurelle, le signal résiduel ( ) étant modélisé par : où est le signal résiduel, est le nombre d’échantillons du signal résiduel, , est la fréquence d’échantillonnage, est un pas d’analyse, est la fréquence centrale de la bande de fréquences ( ), est une enveloppe de flottement et est un bruit, l’enveloppe de flottement étant calculée par : où , est une matrice décrivant l’équation structurelle sous forme matricielle, est la matrice identité de taille et est un paramètre de pénalisation positive, la matrice étant considérée comme circulante, et le flottement ( ) étant déterminé à partir de l’enveloppe de flottement . Procédé de surveillance d’une turbomachine (102) équipant un aéronef, comportant : une estimation d’un flottement ( ) d’une soufflante (104) entraînée par la turbomachine (102), selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 ; et une classification d’un fonctionnement de la turbomachine (102) à partir du flottement ( ) estimée. Programme d’ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur, caractérisé en ce qu’il comprend des instructions pour l’exécution des étapes d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Dispositif (110) d’estimation d’un flottement ( ) d’une soufflante (104) entraînée par une turbomachine (102), comportant : un module pour obtenir un signal ( ) de mesure d’une grandeur physique résultant d’une vibration de la turbomachine (102) lors de tours successifs d’une pièce rotative de la turbomachine (102) ; un module pour obtenir une fréquence de rotation ( ) de la pièce rotative pendant les tours successifs ; et un module pour obtenir, à partir de la fréquence de rotation ( ), une bande de fréquences ( ) du signal de mesure ( ), où le flottement risque de se produire ; caractérisé en ce qu’il comporte en outre : un module d’estimation d’un signal dit résiduel ( ) représentatif de composantes non-synchrones avec la rotation de la pièce rotative ; et un module de filtrage passe-bande du signal résiduel ( ) dans la bande de fréquences ( ) et d’estimation du flottement ( ) à partir du signal résiduel ( ) filtré. Aéronef comportant : une soufflante (104) ; une turbomachine (102) d’entraînement de la soufflante (104) ; et un dispositif (110) d’estimation d’un flottement ( ) de la soufflante (104), selon la revendication 12.