INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
À cet effet, l’invention selon un premier aspect a pour objet un compresseur de turbomachine d’aéronef s'étendant selon un axe et comportant une veine d'écoulement d'un flux d'air délimitée par une virole radialement interne et par une virole radialement externe, ledit compresseur comprenant, d’amont en aval dans le sens d’écoulement du flux d’air dans la veine, au moins un premier étage de compression qui comprend une rangée d'aubes de rotor et une rangée d'aubes de stator à calage variable et au moins un deuxième étage de compression qui comprend une rangée d'aubes de rotor et une rangée d'aubes de stator fixes, ledit compresseur étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre, en aval de l’au moins un premier étage de compression, au moins un troisième étage de compression qui comprend une rangée d'aubes de rotor, une rangée d'aubes de stator inclinables et des moyens de basculement, de manière discrète, d’une inclinaison desdites aubes de stator inclinables entre une première inclinaison par rapport au flux d’air et une deuxième inclinaison par rapport au flux d’air, et réciproquement.
- les moyens de basculement du troisième étage de compression comprennent au moins un anneau de commande connecté à une rangée d’aubes de stator inclinables de sorte que son déplacement entraîne la modification de l’inclinaison desdites aubes de stator inclinables de ladite rangée par rapport au flux d’air, et un actionneur, de préférence de type électroaimant, configuré pour entraîner le basculement, de manière discrète, de la position dudit anneau de commande d’une première position à une deuxième position, et réciproquement.
- les moyens de basculement du troisième étage de compression comprennent une pluralité de secteurs d’anneau de commande, chaque secteur étant connecté à une partie d’une rangée d’aubes de stator inclinables de sorte que son déplacement entraîne la modification de l’inclinaison desdites aubes de stator inclinables de ladite partie de ladite rangée par rapport au flux d’air, et au moins un actionneur par secteur, de préférence de type électroaimant, configuré pour entraîner le basculement, de manière discrète, de la position dudit secteur d’anneau de commande d’une première position à une deuxième position, et réciproquement.
- les moyens de basculement du troisième étage de compression comprennent un actionneur pour chaque aube de stator inclinable d’une rangée d’aubes de stator inclinables dudit troisième étage de compression, configuré pour entraîner le basculement, de manière discrète, de ladite aube de stator inclinable entre la première inclinaison par rapport au flux d’air et la deuxième inclinaison par rapport au flux d’air, et réciproquement.
- l’au moins un troisième étage de compression est situé directement en aval de l’au moins un premier étage de compression et en amont de l’au moins un deuxième étage de compression.
- le compresseur comprend une pluralité de deuxièmes étages de compression et l’au moins un troisième étage de compression est situé entre deux deuxièmes étages de compression.
- le compresseur est de type axial ou de type axialo-centrifuge.
- le compresseur comprend en outre une unité de commande configurée pour commander les moyens de basculement en fonction du régime de fonctionnement, transitoire ou stabilisé, dudit compresseur.
- l’unité de commande est configurée pour commander les moyens de basculement de sorte que les aubes de stator inclinables de la rangée d’aubes de stator inclinables sont dans une position ouverte par rapport au flux d’air en régime stabilisé et dans une position fermée par rapport au flux d’air en régime transitoire.
L’invention selon un second aspect concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant un compresseur selon le premier aspect.
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un compresseur de turbomachine d’aéronef selon l’art antérieur ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un dispositif d’entraînement d’aubes de stator à calage variables selon l’art antérieur ;
la est une paire de courbes de cinématiques illustrant la variation de l’inclinaison des aubes à calage variable de rangées d’étages de compression selon l’art antérieur ;
la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un compresseur de turbomachine d’aéronef selon l’invention ;
la est un représentation schématique de moyens de basculement d’une inclinaison des aubes de stator inclinables selon différents modes de réalisation de l’invention ;
la est une représentation schématique d’un compresseur de turbomachine d’aéronef selon différents modes de réalisation de l’invention ; et,
la est une paire de courbes de cinématiques illustrant la variation de l’angle des aubes de stator inclinables de rangées d’étages de compression selon l’invention.
En référence à la , nous allons maintenant décrire un compresseur de turbomachine d’aéronef selon une mode de réalisation de l’invention.
La turbomachine d’aéronef 400, symboliquement représentée par un rectangle en pointillés, comprend un compresseur 401 qui s'étend selon un axe X. L’axe X est ainsi l’axe autour duquel tournent les rotors du compresseur 401 lorsque celui-ci fonctionne.
Le compresseur 401 comporte une veine 403 d'écoulement d'un flux d'air F (symboliquement représenté par une flèche) qui est délimitée par une virole 405 radialement interne et par une virole 407 radialement externe. En outre, dans ce qui suit, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à cette flèche qui montre le sens de l’écoulement du flux F dans la veine 403.
Dans l’exemple représenté, le compresseur 401 est un compresseur de type axial, c’est-à-dire un compresseur dans lequel le flux d’air circule axialement selon l’axe X en étant de plus en plus compressé au fur et à mesure de son avancement dans la veine 403.
L’invention s’applique également à un compresseur de type axialo-centrifuge, c’est-à-dire un compresseur qui comprend à la fois une partie axiale, telle que représentée à la , et une partie centrifuge (non-représentée) dans laquelle le flux d’air circule radialement par rapport au compresseur et est compressé au fur et à mesure de son éloignement radial dans le compresseur.
Le compresseur 401 comprend, d’amont en aval dans le sens d’écoulement du flux d’air F dans la veine 403, au moins un étage de compression 409 qui comprend une rangée d'aubes de rotor 409a et une rangée d'aubes de stator à calage variable 409b. Dans l’exemple représenté, les aubes de rotor 409a précèdent les aubes de stator 409b dans le sens d’écoulement du flux d’air dans la veine. L’homme du métier appréciera que l’invention s’applique également à un compresseur dans lequel un étage de compression (de manière générale) est défini comme étant d’abord des aubes de rotor suivies d’aubes de stator dans le sens d’écoulement du flux d’air dans la veine.
Comme il sera explicité plus en détail plus loin, de manière connue, une aube de stator à calage variable est une aube dont l’inclinaison par rapport au flux d’air F qui circule dans la veine 403 peut être modifiée de manière continue entre deux extrema prédéterminés. Dit autrement, il est possible de faire varier l’angle d'attaque de ces aubes par rapport à la direction du flux d'air F dans un intervalle d’angles prédéterminé.
Dans l’exemple représenté à la , le compresseur 401 comprend trois étages de compression 409. Toutefois, l’homme du métier appréciera que le nombre d’étages de compression 409 peut être, de manière générale, supérieur ou égal à un.
b) identifier l’ensemble des paramètres mesurables de l’au moins une partie de machine à surveiller,
c) modéliser un jumeau numérique du type de machine donné comprenant un modèle numérique de l’au moins une partie de machine à surveiller et,
sur une machine dite d’entraînement du type de machine donné ayant un degré d’usure prédéterminé :
d) disposer des capteurs pour mesurer chaque paramètre mesurable de l’ensemble des paramètres mesurables de l’au moins une partie de machine à surveiller,
e) simuler un ensemble d’incidents prédéterminés sur la machine d’entraînement et relever les données de mesure des capteurs pour chaque incident prédéterminé,
f) enrichir le jumeau numérique avec les données de mesure des capteurs pour chaque incident prédéterminé de l’ensemble d’incidents prédéterminés,
g) définir, pour chaque incident prédéterminé simulé de l’ensemble d’incidents prédéterminés, un seuil de détection,
h) identifier parmi les capteurs, pour chaque incident prédéterminé simulé de l’ensemble d’incidents prédéterminés, un groupe de capteurs dits de maintenance permettant de détecter le seuil de détection avec une probabilité prédéterminée,
i) équiper l’ensemble des machines du parc de machines du groupe de capteurs de maintenance,
j) relever périodiquement les données de mesure du groupe de capteurs de maintenance équipant chaque machine du parc de machines pour enrichir le jumeau numérique,
k) pour chaque machine du parc de machines, relever périodiquement les données de mesure du groupe de capteurs de maintenance l’équipant et appliquer les données de mesure au jumeau numérique pour déduire un besoin de maintenance.
Le procédé de l’invention est frugal car il nécessite peu de données et utilise un modèle d’intelligence artificielle (IA) ou un modèle algorithmique pour traiter ces données et parvenir ainsi à la frugalité. Contrairement au modèle dominant d’intelligence artificielle (IA) qui repose sur l’apprentissage profond ou l’apprentissage machine, l’IA frugale ne nécessite pas de grands volumes de données pour entraîner son modèle. Le procédé de maintenance prédictive frugale selon la présente invention est capable d’apprendre à partir de très peu de données. A travers l’IA frugale, l’invention vise à réussir à initier, aux étapes d) à h) un modèle suffisamment performant dans un premier temps et ensuite à apprendre en continu, à l’étape j), au fil des interactions homme-machine. L’acquisition de données ne se fait donc plus uniquement en amont de la mise en place de la maintenance prédictive, mais sur un temps long, et avec l’avantage de ne pas avoir à mobiliser d’importantes ressources humaines expertes.
Les capteurs peuvent être tous types de capteurs. Ils peuvent contenir de la mémoire interrogeable en atelier, par voie filaire ou sans fil, ou à distance, et/ou peuvent être associés à des systèmes de communication pour transmettre les données mesurées, soit à intervalles réguliers, soit sur demande. Ainsi, des réseaux bas débit de type SigFox® ou LoRa® ou analogues peuvent être utilisés pour remonter les données mesurées des capteurs au jumeau numérique où elles sont injectées pour améliorer le jumeau numérique. Ces transmissions pourront, de préférence, être chiffrées. Selon l’invention, il est également envisagé, notamment lors des étapes f) et j), de remonter les données vers le jumeau numérique à haut débit pour donner une quantité maximale de données au jumeau numérique.
Le procédé proposé permet d’avoir un jumeau numérique unique à l’image des machines faisant partie du parc de machines. Ce jumeau numérique est continuellement enrichi avec des retours d’informations selon une approche similaire à une approche centrée sur les données. Le procédé de l’invention permet donc, par rapport aux procédés existants, d’améliorer l’inférence du procédé.
Le procédé de l’invention permet d’obtenir un état de santé en temps réel de chaque machine du parc de machines. Lorsque les machines sont des véhicules, il permet aussi de réaliser une aide à la conduite, en indiquant au conducteur les meilleures pratiques de conduite pour limiter l’usure en fonction du comportement du jumeau numérique. Le procédé permet également de savoir si un véhicule donné peut être exploité et sur quelle durée et selon quelles conditions, notamment pour engager une mission pour terminer une mission.
La partie de machine à surveiller peut être tout ensemble ou sous-ensemble de la machine, tout composant ou groupe de composants, toute chaîne fonctionnelle ou groupe de chaînes fonctionnelles.
Lorsque la machine est un véhicule, la partie de machine à surveiller peut être, notamment mais non exclusivement : un ensemble ou sous-ensemble mécanique tel que moteur, partie de moteur, train roulant, essieu, pneu, chenille, transmission, boîte de vitesse, système de freinage, système d’arme, circuit de chauffage, climatisation, ouverture/fermeture d’ouvrants, un ensemble ou sous-ensemble hydraulique tel que liquide de frein, circuit hydraulique, liquide de refroidissement, circuit d’huile, circuit de carburant, un ensemble ou sous-ensemble électrique ou électronique tel qu’électronique embarquée, circuit de batterie, système de phares, alimentation électrique d’un composant spécifique. En particulier, les parties de machine disposant déjà de capteurs pourront être utilisées. L’invention n’est toutefois pas limitée à cet égard puisqu’elle prévoit de disposer des capteurs pour mesurer des paramètres mesurables, même lorsque la machine n’en est pas équipée par défaut.
Par paramètre mesurable, on entend toute grandeur physique mesurable par un capteur.
Les parties à mesurer ainsi que les paramètres à mesurer sont choisis en fonction de plusieurs facteurs de criticité. Une approche de type Fiabilité – Maintenabilité – Disponibilité – Sécurité (FMDS) pourra par exemple être utilisée pour le choix des parties et des paramètres, mais d’autres facteurs, tel qu’un temps d’indisponibilité de la machine en cas de panne ou encore un coût de la pièce de rechange pourront être pris en compte. Avantageusement, le fait de prendre une chaîne fonctionnelle dans son ensemble permet de limiter le nombre de capteurs de maintenance et ainsi de répondre au besoin de fiabilité nécessaire. Dans l’idéal, il faut pouvoir utiliser les capteurs déjà installés au niveau de la machine.
Le jumeau numérique reprend tout ou partie de la machine. En particulier, le jumeau numérique peut être, dans un aspect simplifié du procédé de l’invention, une modélisation numérique limitée à la partie à surveiller de la machine, mais il est bien entendu également envisagé selon l’invention que le jumeau numérique soit plus complexe, notamment une modélisation numérique incluant plusieurs parties de la machine à surveiller voire toutes les parties qui peuvent être surveillées sur la machine.
La modélisation du jumeau numérique est une simulation numérique de type multi-physique qui peut être réalisée par l’intermédiaire de suites logicielles, par exemple mais non exclusivement Altair®, SIMLab®, Roamaxtec®, Matlab Simulink®, ou encore Simscape®. La granularité du jumeau numérique sera fonction du degré de maintenance envisagé.
L’ensemble d’incidents prédéterminés des étapes e) et f) comprend tout ou partie des évènements qui peuvent avoir une influence sur la maintenance de la machine de type donné, notamment mais non exclusivement des pannes, des chocs, ou tout simplement une usure.
Le procédé de l’invention permet donc, dans une première phase d’entraînement sur une machine d’entraînement, de construire un jumeau numérique comprenant déjà un apprentissage des incidents de maintenance qui peuvent se produire, puis dans une deuxième phase de déterminer les capteurs nécessaires à la détection de ces incidents et enfin dans une troisième phase de faire évoluer ce jumeau numérique avec des données issues des données d’exploitation des machines du parc de machines, afin que le jumeau numérique s’approche le plus possible des machines dont on souhaite assurer la maintenance. Il suffit ensuite d’appliquer les données remontées des machines en exploitation au jumeau numérique pour effectuer une maintenance prédictive. On pourra ainsi injecter, après traitement mathématique, dans le jumeau numérique les données des capteurs de maintenance d’une machine spécifique du parc de machines, et utiliser les données correspondantes du jumeau numériques pour en déduire un degré d’usure de la machine spécifique et programmer le cas échéant une maintenance prédictive.
La prédiction peut également être directement intégrée dans chaque machine, un retour d’information de type durée de vie utile restante (Remaining Useful Life – RUL) étant indiquée par le véhicule.
Dans la dernière étape du procédé,
Un parc de machines disposant de fonctions de maintenance prédictive doit permettre d’améliorer la gestion de la maintenance et de l’emploi des machines.
La précision des prévisions réalisées sur les fonctions de surveillance a un impact important sur la gestion de la maintenance des machines.
Pour estimer le RUL (RUL – acronyme de l’anglais Remaining Useful Life ou durée de vie utile restante) d’une fonction prédictive, il existe deux approches distinctes.
Un première approche purement théorique est basée sur une approche statistique en lien avec la modélisation multi-physique. Cette approche prend en compte les temps moyens entre pannes (MTBF – acronyme de l’anglais Mean Time Between Failures) théorique ainsi que les profils d’emplois des machines pour en déterminer une durée de vie résiduelle.
Une deuxième approche est basée sur une approche pratique en lien direct avec les capteurs ou témoins d’usures et le modèle multi-physique.
Cette deuxième approche travaille en tâche de fond de la première approche et est prioritaire sur la première approche.
Selon la première approche, pour estimer le RUL de la fonction prédictive, la simulation dynamique basée sur des modèles de durée de vie du type lois de Weibull est utilisée. Ces lois mathématiques sont utilisées pour modéliser les durées de vie et les prédictions réalisées par les fonctions de surveillance, les HUMS (acronyme anglais de Health and Usage Monitoring System - système de surveillance de santé et d’utilisation).
En outre, le compresseur 401 est un compresseur haute pression et la rangée d’aubes de rotor 409a de l’étage de compression 409 le plus amont, située en amont des éléments représentés, n’est pas représentée.
Le compresseur 401 comprend également au moins un étage de compression 411 qui comprend une rangée d'aubes de rotor 411a et une rangée d'aubes de stator fixes 411b. Le terme « fixe » est ici relatif à une aube de stator dont l’inclinaison par rapport au flux d’air F qui circule dans le veine 403 ne peut pas être modifiée.
Dans l’exemple représenté à la , le compresseur 401 comprend trois étages de compression 411. Toutefois, l’homme du métier appréciera que le nombre d’étages de compression 411 peut être, de manière générale, supérieur ou égal à un.
En outre, un premier étage de compression 411 est situé directement en aval des étages de compression 409 et deux autres étages de compression 411 sont situés en aval de ce premier étage de compression 411 en étant séparés de celui-ci par un étage de compression 413 tel que décrit plus loin. Le terme « directement » est ici entendu comme désignant l’étage qui suit immédiatement (i.e. l’étage adjacent) les étages de compression 409. Le compresseur 401 comprend donc aussi, en aval des étages compression 409, au moins un étage de compression 413 qui comprend une rangée d'aubes de rotor 413a, une rangée d'aubes de stator inclinables 413b et des moyens de basculement 415 d’une inclinaison des aubes de stator inclinables 413b entre une première inclinaison par rapport au flux d’air F et une deuxième inclinaison par rapport au flux d’air F, et réciproquement.
Le terme « inclinable » désigne ici la capacité des aubes de stator concernées à changer leur inclinaison, de manière discrète, entre deux inclinaisons distinctes. Dit autrement, comme cela apparait plus clairement dans la partie inférieure de la , il est possible de faire varier l’angle d'attaque de ces aubes par rapport à la direction du flux d'air F entre deux angles prédéterminés. Dit autrement encore, les moyens de basculement 415 décrits plus en détail plus loin sont configurés pour entraîner le basculement des aubes de stator inclinables entre les deux inclinaisons distinctes prédéterminées sans pouvoir leur faire adopter une autre inclinaison. En outre, le basculement en question est commandé par une unité de commande 417 qui pilote le ou les actionneurs de la rangée d’aubes de stator inclinables 413b de manière à modifier leur inclinaison lorsque cela est souhaité.
Typiquement, l’unité de commande 417 peut être configurée pour commander les moyens de basculement 415 en fonction du régime de fonctionnement du compresseur, transitoire ou stabilisé. Plus particulièrement, l’unité de commande 417 peut être configurée pour commander les moyens de basculement 415 de sorte que les aubes de stator inclinables de la rangée d’aubes de stator inclinables 413b sont dans une position ouverte par rapport au flux d’air F en régime stabilisé et dans une position fermée par rapport au flux d’air F en régime transitoire.
La position ouverte désigne une inclinaison des aubes de stator inclinables par rapport au flux d’air F pour laquelle l’angle associé est le plus bas alors que la position fermée désigne une inclinaison des aubes de stator inclinables par rapport au flux d’air F pour laquelle l’angle associé est le plus élevé. Ainsi, en position ouverte le canal (i.e. l’espace) inter-aubes peut laisser passer un débit important et les angles d’attaque des aubes sont faibles alors qu’en position fermée le canal inter-aubes peut laisser passer d’un débit plus faible et les angles d’attaque des aubes sont élevés.
Ainsi, l’incidence sur le flux d’air circulant dans la veine du compresseur se fait en fonction du régime et permet, par exemple, de conserver un rendement optimal en régime stabilisé en maintenant les aubes de stator inclinables en position ouverte et d’optimiser la marge au pompage en régime transitoire en maintenant les aubes de stator inclinables en position fermée.
Dans d’autres mode de réalisation, le basculement de l’inclinaison des aubes de stator inclinables pourrait être asservi à un autre facteur, comme par exemple une variable liée au fonctionnement de la turbomachine dans laquelle est compris le compresseur et ce, de manière indépendante de la commande des aubes de stator à calage variable.
Dans tous les cas, avantageusement, le fait pour les aubes de stator inclinables de ne pouvoir changer leur inclinaison qu’entre deux inclinaisons ne requiert pas de moyens encombrants, lourds ou complexes pour entraîner ce changement d’inclinaison.
A titre d’exemples non-limitatifs, la illustre trois modes de réalisation possibles des moyens de basculement 415 de l’inclinaison des aubes de stator inclinables 413b.
Dans la partie gauche de la , le compresseur 401 comprend des moyens de basculement 415 qui comprennent au moins un anneau de commande 415a. L’anneau de commande 415a est connecté aux aubes de stator inclinables de la rangée 413b, par exemple par l’intermédiaire de biellettes, de sorte que son déplacement entraîne la modification de l’inclinaison des aubes de stator inclinables de la rangée 413b par rapport au flux d’air F. Typiquement, lorsque l’anneau tourne autour de l’axe X du compresseur 401, toutes les aubes de stator inclinables de la rangée à laquelle appartient l’anneau subissent une modification identique de leur inclinaison par rapport au flux d’air F.
En outre, les moyens de basculement 415 comprennent aussi au moins un actionneur 415b (dans l’exemple représenté un seul actionneur) qui est configuré pour entraîner le basculement de la position de l’anneau de commande 415a d’une première position à une deuxième position, et réciproquement. Par exemple, l’actionneur est un électroaimant dont le changement d’état entraîne un déplacement de l’anneau de commande 415a (i.e. une rotation de l’anneau autour de l’axe X) qui provoque la modification de l’inclinaison de toutes les aubes d’une rangée.
Avantageusement, une telle configuration limite à la fois le nombre d’actionneur (donc l’encombrement et la charge associée) et la complexité des moyens de basculement requis.