Brevet FR3133643A1 — publié le 20230922

Procédé et unité de commande d’ensemble moteur La présente invention concerne un procédé de commande d’un ensemble moteur (100) hybride pour aéronef. Cet ensemble moteur (100) comprend au moins une machine électrique (300) et un moteur à turbine à gaz (200). Le moteur à turbine à gaz (200) comprend un arbre basse pression (210) avec une turbine basse pression (270) et un arbre haute pression (220) avec une turbine haute pression (260). La machine électrique (300) est couplée à l’arbre basse pression (210) pour l’entrainer en rotation, et le procédé de commande comprend une étape dans laquelle, suite à un changement d’une consigne de fonctionnement de l’ensemble moteur (100), un travail mécanique est commandé à la machine électrique (300) pour accélérer une rotation de l’arbre basse pression d’une première vitesse de rotation (ω 1 ) non nulle jusqu’à une deuxième vitesse de rotation (ω 2 ). L’invention concerne également une unité de commande (500) adaptée pour effectuer ce procédé, un ensemble moteur (100) incorporant cette unité de commande (100), la machine électrique (300) et le moteur à turbine à gaz (200), et un programme informatique pour effectuer ce procédé. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé et unité de commande d’ensemble moteur La présente invention concerne le domaine technique des ensembles moteurs pour aéronef, et plus particulièrement des ensembles moteurs hybrides comprenant au moins une machine électrique et un moteur à turbine à gaz avec au moins un arbre haute pression et un arbre basse pression. Afin d’augmenter l’efficacité énergétique globale des moyens de transport, et diminuer leur consommation de carburant et leurs émissions d’effet de serre, de nombreux ensembles moteurs hybrides ont déjà été proposés combinant moteurs à combustion et machines électriques contribuant au rendement global au-delà du simple démarrage des moteurs à combustion interne. Bien que ces ensembles moteurs hybrides aient le plus souvent été proposés pour les véhicules automobiles et incorporé des moteurs à pistons, l’hybridation des moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement des moteurs à turbine à gaz pour aéronefs a aussi été envisagée. Dans le contexte des moteurs à turbine à gaz, et en particulier des moteurs à turbine à gaz pour aéronefs, l’hybridation peut en fait présenter des avantages autres que l’efficacité énergétique. Ainsi, dans la demande de brevet d’invention français avec le numéro de publication FR 3 097 012 A1, il a été proposé d’utiliser une machine électrique pour injecter une puissance mécanique à un arbre haute pression d’un moteur à turbine à gaz, et cela afin de permettre une accélération plus rapide du moteur à turbine à gaz, et donc une meilleure réactivité aux changements de consigne de fonctionnement. En effet, les moteurs à turbine à gaz se caractérisent par des temps de réponse relativement lents à cause de l’inertie des pièces tournantes et des contraintes aérodynamiques des aubages. On assiste en même temps, dans le domaine des moteurs à turbine à gaz pour aéronef, et plus particulièrement dans celui des turboréacteurs à soufflante (en anglais : « turbofan engines »), afin aussi d’augmenter leur efficacité énergétique, à une augmentation des rapports de dilution et donc à une augmentation des diamètres de soufflante. Or, même en utilisant des matériaux plus légers pour les pales de soufflante et/ou en intercalant un réducteur entre la soufflante et l’arbre basse pression l’entrainant, il est difficile d’éviter une augmentation de l’inertie de l’ensemble rotatif incorporant l’arbre basse pression et la soufflante, et donc une diminution de la réactivité de la poussée produite par la soufflante aux changements de consigne. Or, dans les moteurs à haut, voire très haut taux de dilution, la soufflante apporte la majeure partie de la poussée. Une accélération plus rapide de l’arbre haute pression, qui n’est normalement pas mécaniquement couplé à la soufflante, ne peut donc que partiellement répondre à cette inertie accrue. Il a aussi été par exemple proposé dans la publication de demande de brevet européen numéro EP 2 989 007 A1 de réduire temporairement, lors des étapes transitoires d’accélération des moteurs d’un aéronef, la puissance mécanique extraite par des générateurs électriques mécaniquement couplés à ces moteurs d’un aéronef, pour les délester et ainsi faciliter leur accélération. Comme normalement la puissance mécanique absorbée par les générateurs est toutefois relativement réduite comparée à la puissance totale générée par les moteurs, l’impact de ce délestage sera normalement limité. La présente divulgation vise à augmenter la réactivité d’un ensemble moteur hybride comprenant au moins une machine électrique et un moteur à turbine à gaz avec un arbre basse pression, un arbre haute pression, une turbine basse pression couplée à l’arbre basse pression pour entrainer l’arbre basse pression en rotation, et une turbine haute pression disposée en amont de la turbine basse pression dans une veine d’écoulement de fluide moteur et couplée à l’arbre haute pression pour entrainer l’arbre haute pression en rotation, la machine électrique étant couplée à l’arbre basse pression pour entrainer l’arbre basse pression en rotation. Pour cela, suivant un premier aspect de cette divulgation, un procédé de commande d’un tel ensemble moteur hybride pour aéronef peut comprendre une étape dans laquelle, suite à un changement d’une consigne de fonctionnement de l’ensemble moteur d’une première valeur à une deuxième valeur, un travail mécanique peut être commandé à la machine électrique pour accélérer une rotation de l’arbre basse pression d’une première vitesse de rotation non nulle associée à la première valeur de la consigne de fonctionnement jusqu’à une vitesse de rotation associée à la deuxième valeur de la consigne de fonctionnement. Cette consigne de fonctionnement peut être, par exemple, une consigne de poussée telle que typiquement commandée à travers une manette de gaz d’aéronef. Alternativement, toutefois, elle pourrait aussi être une consigne de puissance, de débit de carburant, ou même directement de vitesse de rotation de l’arbre basse pression. Grâce à l’injection d’énergie mécanique ainsi apportée, l’arbre basse pression, ainsi que tout organe mécaniquement couplé à celui-ci en rotation, comme par exemple une soufflante, une hélice ou un rotor de sustentation, peut plus rapidement atteindre la vitesse de rotation associée à la deuxième valeur de la consigne de fonctionnement et supérieure à celle, non-nulle, associée à la première valeur de la consigne de fonctionnement. AInsi, le moteur à turbine à gaz peut comprendre une soufflante couplée à l’arbre basse pression pour être entrainée en rotation par l’arbre basse pression. Toutefois, l’application de ce procédé est également envisageable avec d’autres types de moteur à turbine à gaz dont l’arbre basse pression serait couplé mécaniquement en rotation à des organes à grande inertie en rotation, tels que par exemple un turbopropulseur dans lequel l’arbre basse pression serait couplé mécaniquement en rotation à au moins une hélice propulsive, ou un turbomoteur dans lequel l’arbre basse pression serait couplé mécaniquement en rotation à au moins un rotor de sustentation. Ce procédé est par ailleurs applicable aux ensembles moteurs comprenant un réducteur connecté à l’arbre basse pression pour l’entrainement d’un organe mécanique par l’arbre basse pression à travers le réducteur, comme par exemple les turboréacteurs à soufflante à réducteur ainsi que la plupart des turbopropulseurs et turbomoteurs. Les moteurs à turbine à gaz étant particulièrement peu réactifs aux bas régimes, l’injection d’énergie mécanique peut donc être particulièrement utile si la machine électrique est apte à transmettre à l’arbre basse pression une puissance mécanique correspondant au moins à 15% d’une puissance mécanique transmise par la turbine basse pression à l’arbre basse pression au moment où le travail mécanique est commandé à la machine électrique. Ledit travail mécanique peut notamment être commandé en boucle ouverte. Ainsi, dans sa forme la plus simple, une puissance mécanique prédéterminée peut être commandée pendant une durée de temps également prédéterminée afin de fournir le travail mécanique. Il est toutefois aussi envisageable de commander la puissance et/ou la durée dudit travail mécanique en fonction d’un paramètre de fonctionnement tel que, par exemple, une vitesse de rotation de l’arbre basse pression. La relation entre cette vitesse de rotation et la puissance et/ou durée commandée peut suivre une table préenregistrée. Alternativement, toutefois, ledit travail mécanique pourrait être commandé en boucle fermée, c’est-à-dire en fonction d’une valeur de rétroaction. Ainsi, par exemple, la puissance mécanique pendant la génération de ce travail mécanique pourrait varier à chaque moment en fonction d’une différence entre la vitesse de rotation de l’arbre basse pression à ce moment et la deuxième vitesse de rotation. En particulier, ledit travail mécanique pourrait être commandé en boucle fermée conjointement à une alimentation en carburant d’une chambre de combustion en amont des turbines haute et basse pression dans ladite veine d’écoulement de fluide moteur. Un deuxième aspect de cette divulgation concerne une unité de commande de l’ensemble moteur hybride susmentionné qui peut être adaptée pour commander, suite à un changement d’une consigne de fonctionnement de l’ensemble moteur d’une première valeur à une deuxième valeur, un travail mécanique à la machine électrique pour accélérer une rotation de l’arbre basse pression d’une première vitesse de rotation non nulle associée à la première valeur de la consigne de fonctionnement jusqu’à une deuxième vitesse de rotation associée à la deuxième valeur de la consigne de fonctionnement. Un troisième aspect de cette divulgation concerne un ensemble moteur hybride pour aéronef comprenant l’unité de commande du deuxième aspect ainsi que la machine électrique et le moteur à turbine à gaz. Un quatrième aspect de cette divulgation concerne un programme d’ordinateur pouvant comprendre des instructions qui, mises en œuvre par une unité de commande de l’ensemble moteur hybride susmentionné, conduisent l’unité de commande à effectuer le procédé de commande du premier aspect. L’objet du présent exposé et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de modes de réalisation donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : La est une représentation schématique d’un ensemble moteur suivant un mode de réalisation, comprenant un moteur à turbine à gaz, deux machines électriques et une unité de commande. La est une représentation d’un réseau électrique d’aéronef comprenant deux ensembles moteurs comme celui de la . La est un graphique comparant une montée en régime de l’arbre basse pression du moteur à turbine à gaz de l’ensemble moteur de la avec et sans assistance électrique. Procédé de commande d’un ensemble moteur (100) hybride pour aéronef comprenant au moins une machine électrique (300) et un moteur à turbine à gaz (200) avec un arbre basse pression (210), un arbre haute pression (220), une turbine basse pression (270) couplée à l’arbre basse pression (210) pour entrainer l’arbre basse pression (210) en rotation, et une turbine haute pression (260) disposée en amont de la turbine basse pression (270) dans une veine d’écoulement de fluide moteur et couplée à l’arbre haute pression (220) pour entrainer l’arbre haute pression (220) en rotation, la machine électrique (300) étant couplée à l’arbre basse pression (210) pour entrainer l’arbre basse pression (210) en rotation, le procédé de commande comprenant une étape dans laquelle, suite à un changement d’une consigne de fonctionnement de l’ensemble moteur (100) d’une première valeur à une deuxième valeur, un travail mécanique est commandé à la machine électrique (300) pour accélérer une rotation de l’arbre basse pression d’une première vitesse de rotation (ω 1 ) non nulle associée à la première valeur de la consigne de fonctionnement jusqu’à une deuxième vitesse de rotation (ω 2 ) associée à la deuxième valeur de la consigne de fonctionnement. Procédé de commande suivant la revendication 1, dans lequel le moteur à turbine à gaz (200) comprend une soufflante (280) couplée à l’arbre basse pression (210) pour être entrainée en rotation par l’arbre basse pression (210). Procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant en outre un réducteur (290) connecté à l’arbre basse pression (210) pour l’entrainement d’un organe mécanique par l’arbre basse pression (210) à travers le réducteur (290). Procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la machine électrique (300) est apte à transmettre à l’arbre basse pression (210) une puissance mécanique correspondant au moins à 15% d’une puissance mécanique étant transmise par la turbine basse pression (270) à l’arbre basse pression (210) au moment où le travail mécanique est commandé à la machine électrique (300). Procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit travail mécanique est commandé en boucle ouverte. Procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit travail mécanique est commandé en boucle fermée. Procédé de commande suivant la revendication 6, dans lequel ledit travail mécanique est commandé en boucle fermée conjointement à une alimentation en carburant d’une chambre de combustion (250) en amont des turbines haute et basse pression (260,270) dans ladite veine d’écoulement de fluide moteur. Unité de commande (500) d’un ensemble moteur (100) hybride pour aéronef comprenant au moins une machine électrique (300) et un moteur à turbine à gaz (200) avec un arbre basse pression (210), un arbre haute pression (220), une turbine basse pression (270) couplée à l’arbre basse pression (210) pour entrainer l’arbre basse pression (210) en rotation, et une turbine haute pression (260) disposée en amont de la turbine basse pression (270) dans une veine d’écoulement de fluide moteur et couplée à l’arbre haute pression (220) pour entrainer l’arbre haute pression (220) en rotation, la machine électrique (300) étant couplée à l’arbre basse pression (210) pour entrainer l’arbre basse pression (210) en rotation, l’unité de commande (500) étant caractérisée en ce qu’elle est adaptée pour commander à la machine électrique (300), suite à un changement d’une consigne de fonctionnement de l’ensemble moteur d’une première valeur à une deuxième valeur, un travail mécanique pour accélérer une rotation de l’arbre basse pression (210) d’une première vitesse de rotation (ω 1 ) non nulle associée à la première valeur de la consigne de fonctionnement jusqu’à une deuxième vitesse de rotation (ω 2 ) associée à la deuxième valeur de la consigne de fonctionnement. Ensemble moteur (100) hybride pour aéronef comprenant l’unité de commande (500) de la revendication 8 ainsi que la machine électrique (300) et le moteur à turbine à gaz (200). Programme informatique comprenant des instructions qui, mises en œuvre par une unité de commande (500) d’un ensemble moteur (100) hybride pour aéronef comprenant au moins une machine électrique (300) et un moteur à turbine à gaz (200) avec un arbre basse pression (210), un arbre haute pression (220), une turbine basse pression (270) couplée à l’arbre basse pression (210) pour entrainer l’arbre basse pression (210) en rotation, et une turbine haute pression (260) disposée en amont de la turbine basse pression (270) dans une veine d’écoulement de fluide moteur et couplée à l’arbre haute pression (220) pour entrainer l’arbre haute pression (220) en rotation, la machine électrique (300) étant couplée à l’arbre basse pression (210) pour entrainer l’arbre basse pression (210) en rotation, conduisent l’unité de commande (500) à effectuer le procédé de commande suivant l’une quelconque des revendications 1 à 7.