FR3029985A1

FR3029985A1 - Dispositif de controle d’une tuyere a section variable et son procede de mise en œuvre

Info

Publication number: FR3029985A1
Application number: FR1462234A
Authority: FR
Inventors: Pierre Caruel
Original assignee: Aircelle SA
Current assignee: Safran Nacelles SAS
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-06-17
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: US20170276092A1; WO2016092239A1; GB2548061B; US10787995B2; GB201710297D0; GB2548061A; FR3029985B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif (44) de contrôle d'une tuyère (32) d'éjection à section variable d'une nacelle (10) de turboréacteur (20) d'un aéronef, le dispositif (44) comportant un calculateur (46) adapté pour déterminer une consigne de position de la tuyère (32), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de gestion de l'asservissement de la position de la tuyère (32) variable en fonction du débit du carburant alimentant le turboréacteur (20), lesdits moyens de gestion comportant au moins un capteur de débit (48) instantané du carburant et une unité de gestion (50) qui est conçue pour comparer le débit mesuré par le capteur de débit (48) à un débit de carburant théorique en fonction des paramètres du vol de l'aéronef, déterminer une valeur de correction de la position de la tuyère (32) en fonction de la comparaison du débit mesuré et du débit théorique de carburant, et corriger la consigne de position de la tuyère (32) suivant la valeur de correction.

Description

1 L'invention concerne un dispositif de contrôle d'une tuyère d'éjection à section variable d'une nacelle de turboréacteur d'un aéronef et un procédé de mise en oeuvre d'un tel dispositif.

Une nacelle de turboréacteur présente généralement une structure sensiblement tubulaire comprenant une entrée d'air en amont du turboréacteur, une section médiane destinée à entourer une soufflante dudit turboréacteur, une section aval destinée à entourer la chambre de combustion du turboréacteur et intégrant éventuellement des moyens d'inversion de poussée, et est généralement terminée par une tuyère d'éjection dont la sortie est située en aval du turboréacteur. Les nacelles modernes sont destinées à abriter un turboréacteur double flux apte à générer par l'intermédiaire des pâles de la soufflante en rotation un flux d'air chaud (flux primaire) et un flux d'air froid (flux secondaire) qui circule à l'extérieur du turboréacteur à travers un passage annulaire, également appelé veine, formé entre un carénage du turboréacteur et une paroi interne de la nacelle. Les deux flux d'air sont éjectés du turboréacteur par l'arrière de la nacelle. La section de la tuyère d'éjection peut être adaptée en fonction des différentes phases de vols, à savoir notamment décollage, montée, croisière, descente et atterrissage afin de toujours conserver une section optimale de tuyère en fonction du régime du turboréacteur. La tuyère sera alors appelée tuyère variable. Une telle tuyère variable est associée à un système d'actionnement 25 permettant cette variation de section. Il existe plusieurs solutions pour réaliser une tuyère variable, notamment une tuyère variable à volets pivotants ou une tuyère variable à panneaux mobiles en translation montés de manière télescopique, dont le recul ou la rétractation entraîne de façon similaire l'augmentation ou la réduction de 30 la section de sortie. Pour contrôler une telle tuyère variable, on connait notamment deux types de tuyères variables, à savoir une tuyère variable contrôlée en boucle ouverte et une tuyère variable contrôlée en boucle fermée. La tuyère variable contrôlée en boucle ouverte reçoit une consigne 35 de position de la tuyère en fonction du régime de vol, la tuyère étant 3029985 2 positionnée à cette position par un asservissement de position ou par des positions prédéfinies. Il s'agit ici d'un asservissement en boucle ouverte, notamment pour des applications de type aéronefs civils destinés à fonctionner principalement 5 en régime subsonique. Ce type de tuyère variable contrôlée en boucle ouverte présente notamment l'inconvénient d'être peu précise. En effet, des déformations de la structure sous charge, l'usure des pièces mobiles ou les tolérances de fabrication peuvent impacter la précision 10 du système, conduisant à un écart entre la consigne de position donnée et la valeur réelle de la section de tuyère, qui ne peut généralement pas être mesurée directement. Cet écart se traduit généralement par une baisse de rendement du turboréacteur. 15 La tuyère variable contrôlée en boucle fermée est entraînée dans une position ajustée de façon à vérifier une consigne de pression à l'entrée de la tuyère. Un tel asservissement en boucle fermée est notamment associé à des applications de types aéronefs militaires ou civils destinés à fonctionner 20 principalement en régime supersoniques. On connait un dispositif de contrôle d'une tuyère variable en boucle fermée qui est décrit et représenté dans le document US-A-3,030,771 et qui permet de commander la position de la tuyère suivant le débit de carburant mesuré.

Un asservissement en boucle fermée pour une application civile subsonique ne semble pas applicable pour plusieurs raisons. En effet, la fiabilité, le temps de réponse et la précision des capteurs de pression utilisés dans l'aviation civile peut être insuffisante. De plus, le besoin de changer continûment la position de la tuyère 30 pendant le vol peut conduire à une usure prématurée des pièces. Enfin, en boucle ouverte ou en boucle fermée, un tel asservissement suppose que l'optimum de rendement du turboréacteur est toujours obtenu pour la même position de tuyère variable ou pour la même pression pour un cas de vol donné, ce qui n'est pas nécessairement vrai, car 35 cet optimum peut dépendre de l'état d'usure du moteur. 3029985 3 La présente invention vise notamment à résoudre cet inconvénient et se rapporte pour ce faire à un dispositif de contrôle d'une tuyère d'éjection à section variable d'une nacelle de turboréacteur d'un aéronef, le dispositif comportant : 5 - un calculateur adapté pour déterminer une consigne de position de la tuyère, - des moyens d'actionnement de la tuyère qui sont associés audit calculateur et qui sont adaptés pour commander la position de la tuyère variable selon ladite consigne de position, caractérisé en ce qu'il comprend des 10 moyens de gestion de l'asservissement de la position de la tuyère variable en fonction du débit du carburant alimentant le turboréacteur, lesdits moyens de gestion comportant au moins un capteur de débit instantané du carburant et une unité de gestion qui est conçue pour : - comparer le débit mesuré par le capteur de débit à un débit de 15 carburant théorique en fonction des paramètres du vol de l'aéronef, - déterminer une valeur de correction de la position de la tuyère en fonction de la comparaison du débit mesuré et du débit théorique de carburant, et - corriger la consigne de position de la tuyère suivant la valeur de 20 correction. Ainsi, le dispositif selon l'invention permet un asservissement assurant une précision suffisante, autorisant une utilisation à la fois civile ou militaire et subsonique ou supersonique. Par ailleurs, le moyen de gestion de l'asservissement permet de 25 corriger la consigne de position en tenant compte de l'état d'usure du turboréacteur et/ou de la nacelle. Enfin, en cas de changement de tuyère sur un même moteur aucun réglage n'est ainsi nécessaire et la fiabilité du système n'est pas impactée par la fiabilité des capteurs comme le serait un système en boucle fermée.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'unité de gestion est conçue pour faire varier la position de la tuyère dans une pluralité de positions et mesurer le débit de carburant pour chaque position adoptée, afin de déterminer la position offrant le rendement optimum de fonctionnement du turboréacteur. 3029985 4 Cette caractéristique permet au dispositif d'adapter la position de la tuyère en fonction de l'état réel de l'ensemble propulsif constitué par le turboréacteur et la nacelle. De plus, les moyens de gestion comportent une unité de stockage 5 de données qui contient une table de données du débit de carburant théorique en fonction des paramètres de vol de l'aéronef. La table de donnée est adaptée pour être mise à jour. Aussi, l'unité de stockage de données permet d'enregistrer les valeurs de correction de la position de la tuyère au cours de plusieurs vols. 10 Avantageusement, l'unité de stockage est réalisée par de la mémoire non volatile. En outre, les moyens de gestion comportent un intégrateur qui est adapté pour calculer dans le temps l'intégrale du débit de carburant mesuré pour affiner la précision de la mesure dudit débit. 15 Avantageusement, le dispositif comporte un moyen de mesure de la position de la tuyère variable. L'invention concerne également un procédé pour la mise en oeuvre d'un dispositif de contrôle du type décrit précédemment, le procédé comportant au moins : 20 - une étape de comparaison du débit mesuré par le capteur de débit à un débit de carburant théorique en fonction des paramètres du vol, - une étape de détermination d'une valeur de correction de la position de la tuyère en fonction de la comparaison du débit mesuré et du débit théorique de carburant, 25 - une étape de correction de la consigne de position de la tuyère suivant la valeur de correction obtenue à l'étape de détermination. De plus, le procédé comporte une étape de recherche du fonctionnement optimum qui consiste à : - faire varier la position de la tuyère dans une pluralité de positions 30 différentes, suivant différentes consignes de position de la tuyère, - mesurer le débit de carburant correspondant à chaque position adoptée pour déterminer le rendement optimum du turboréacteur. Enfin, l'étape de recherche comprend une phase d'enregistrement qui consiste à enregistrer la position permettant le meilleur rendement suivant 35 les paramètres de vol déterminés. 3029985 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique annexée qui est une vue schématique en coupe axiale illustrant une nacelle de turboréacteur équipée d'un dispositif de 5 contrôle selon l'invention. On a représenté schématiquement à la figure unique une nacelle 10 qui présente une forme sensiblement tubulaire selon un axe longitudinal A, et qui comprend une section amont 12 avec une lèvre d'entrée 14 d'air formant une entrée d'air, une section médiane 16 entourant une soufflante 18 d'un 10 turboréacteur 20 et une section aval 22. La section aval 22 comprend une structure interne 24 entourant la partie amont du turboréacteur 20 et une structure externe 26 pouvant supporter un capot mobile comportant des moyens d'inversion de poussée. La structure interne 24 et la structure externe 26 délimitent entre 15 elles une veine annulaire 28 permettant le passage d'un flux d'air 30 pénétrant la nacelle 10 au niveau de l'entrée d'air. La nacelle 10 de l'invention se termine par une tuyère 32 variable d'éjection, comprenant un module externe 34 et un module interne 36, les modules interne 36 et externe 34 délimitant entre eux un canal d'écoulement 20 d'un flux d'air chaud 38 sortant du turboréacteur 20. La tuyère 32 comprend des volets 40 mobiles disposés en extrémité aval de la structure externe 26 et en regard de la veine annulaire 30, chaque volet 40 étant monté pivotant de sorte à passer d'une position d'agrandissement ou de diminution de la section de la veine annulaire 30. 25 A titre non limitatif, les volets 40 peuvent être des volets coulissant suivant l'axe A longitudinal de la nacelle 10. Pour entraîner en mouvement les volets 40, la nacelle 10 est équipée de moyens d'actionnement 42 qui comprennent des actionneurs mécaniques du type vérin, ou vis à bille par exemple. 30 Conformément à l'invention, la nacelle 10 comporte un dispositif de contrôle 44 de la tuyère 32 variable. Le dispositif de contrôle 44 comporte un calculateur 46 qui est adapté pour déterminer une consigne de position de la tuyère variable 32 et qui coopère avec les moyens d'actionnement 42 pour commander la position de la 35 tuyère 32 suivant la consigne de position. 3029985 6 A titre indicatif, on entend par « position de la tuyère 32 » la position des volets 40 mobiles de la tuyère 32 faisant varier la section d'éjection de la tuyère 32. La consigne de position de la tuyère 32 est déterminée suivant des 5 paramètres de vol de l'aéronef. Ces paramètres de vol regroupent divers données parmi lesquelles la vitesse de l'aéronef, la température extérieure, la pression extérieure, le régime du turboréacteur, la vitesse de rotation des arbres moteurs, etc. Aussi, le dispositif de contrôle 44 comprend des moyens de gestion 10 de l'asservissement de la position de la tuyère 32 variable en fonction du débit du carburant alimentant le turboréacteur 20. A cet effet, les moyens de gestion comportent un capteur de débit 48 instantané du carburant consommé par le turboréacteur 20. Pour affiner la précision de la mesure du débit instantané, les 15 moyens de gestion comportent un intégrateur (non représenté) qui permet de calculer dans le temps l'intégrale du débit de carburant mesuré. De plus, les moyens de gestion comportent un calculateur supplémentaire formant une unité de gestion 50 qui est conçue pour comparer le débit de carburant mesuré par le capteur de débit 48 à un débit de carburant 20 théorique. Le débit théorique du carburant à comparer au débit mesuré est déterminé en fonction des paramètres du vol de l'aéronef et correspond à un débit permettant un rendement de fonctionnement du turboréacteur maximum. En effet, le rendement du turboréacteur 20 correspond au rapport 25 entre le débit théorique et le débit mesuré de carburant. De plus, l'unité de gestion 50 permet de déterminer une valeur de correction de la position de la tuyère 32 en fonction de la comparaison du débit mesuré et du débit théorique de carburant. La valeur de correction ainsi déterminée permet de corriger la 30 consigne de position de la tuyère 32, pour augmenter ou réduire la section de la tuyère 32. La valeur de correction est calculée de sorte que le débit de carburant réel soit le plus proche possible du débit théorique, afin de faire fonctionner le turboréacteur 20 à un rendement optimum.

Complémentairement, les moyens de gestion comportent une unité de stockage 52 de données qui contient une table de données du débit de 3029985 7 carburant théorique en fonction des paramètres de vol de l'aéronef et qui permet de mettre à jour la table de donnée. L'unité de stockage 52 est par exemple un circuit électronique intégré à l'unité de gestion 50 comportant de la mémoire non volatile.

5 Avantageusement, l'unité de stockage 52 de données permet d'enregistrer les différentes valeurs de correction de la position de la tuyère 32 calculées pour une phase de vol et des paramètres de vol donnés. Ces données enregistrées peuvent être appliquées à nouveau à des vols futurs rencontrant une phase de vol et des paramètres de vol 10 correspondants à ceux précédemment rencontrés. Pour améliorer la fiabilité des valeurs de correction enregistrées, les différentes valeurs de correction peuvent être moyennées sur plusieurs vols et les valeurs très en dehors de la moyenne peuvent être éliminées. De même, une pondération plus importante aux vols les plus 15 récents peut être donnée de façon à prendre en compte les dégradations récentes de la tuyère 32 ou du turboréacteur 20. Selon un autre aspect de l'invention, l'unité de gestion 50 permet de faire varier la position de la tuyère 32 dans une pluralité de positions, le débit de carburant étant mesuré pour chaque position adoptée, afin de 20 déterminer la position offrant le rendement optimum de fonctionnement du turboréacteur 20, avec des paramètres de vols donnés. Cette action permet de rechercher et de déterminer le rendement optimum du turboréacteur 20 en tenant compte de l'état d'usure du turboréacteur 20.

25 La position de la tuyère 32 peut être soit déduite suivant la consigne de position transmise aux moyens d'actionnement 42 de la tuyère 32, soit mesurée par un moyen de mesure 54 de la position de la tuyère 32 prévu à cet effet. L'invention concerne également un procédé pour la mise en oeuvre 30 du dispositif de contrôle 44 décrit précédemment. Le procédé comporte une étape de comparaison du débit mesuré par le capteur de débit 48 à un débit de carburant théorique en fonction des paramètres du vol, au moyen de l'unité de gestion 50. L'étape de comparaison est suivie d'une étape de détermination de 35 la valeur de correction de la position de la tuyère 32 en fonction de la 3029985 8 comparaison du débit mesuré et du débit théorique de carburant réalisé au cours de l'étape de comparaison. De plus, le procédé comporte une étape de correction de la consigne de position de la tuyère 32 suivant la valeur de correction obtenue à 5 l'étape de détermination. La consigne de position corrigée est transmise aux moyens d'actionnement 42 de la tuyère 32 pour réduire ou augmenter la section de la tuyère 32. La valeur de correction est calculée de sorte que le débit de 10 carburant réel soit le plus proche possible du débit théorique, afin de faire fonctionner le turboréacteur 20 à son rendement optimum. Selon un exemple de réalisation préféré, le procédé comporte une étape supplémentaire de recherche du fonctionnement optimum qui consiste, pour une phase de vol donnée, notamment la croisière, à faire varier la 15 position de la tuyère 32 dans une pluralité de positions différentes, suivant différentes consignes de position de la tuyère 32, et à mesurer le débit de carburant correspondant à chaque position adoptée pour déterminer le rendement optimum du turboréacteur 20. Cette étape de recherche consiste également à enregistrer la 20 position permettant le meilleur rendement suivant les paramètres de vol déterminés, dans l'unité de stockage 52. Ainsi, les données enregistrées peuvent être appliquées à des vols futurs rencontrant une phase de vol et des paramètres de vol correspondants à ceux précédemment rencontrés.

25 L'étape de recherche peut être réalisée à intervalles réguliers, par exemple une fois tous les dix vols. Le dispositif de contrôle 44 ainsi que son procédé de mise en oeuvre permettent de s'affranchir des imprécisions de positions de la tuyère 32 dues notamment aux tolérances de fabrication, à l'usure et aux déformations 30 sous charges des différentes pièces constituant la tuyère 32 variable En particulier, lors du changement de la tuyère 32 sur un moteur, aucun réglage n'est nécessaire. La meilleure précision de la position de la tuyère permet un fonctionnement optimal de l'ensemble propulsif constitué par le turboréacteur 35 20 et la nacelle 10.

3029985 9 Avantageusement, la fiabilité du dispositif de contrôle et du procédé selon l'invention n'est pas impactée par la fiabilité des différents capteurs et moyens de mesure, comme le serait un système en boucle fermée du type avion militaire ou avion civil supersonique.

5 La régulation par mesure du débit de carburant peut également compenser d'autres paramètres de dégradation du turboréacteur comme l'augmentation des jeux en bout d'aubes de compresseur ou la dégradation des aubages de turbine. On notera que l'usure mécanique du turboréacteur peut être 10 caractérisée par une augmentation de la température des gaz d'échappement du flux primaire, pour une vitesse de rotation de la soufflante et des paramètres de vol donnés.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif (44) de contrôle d'une tuyère (32) d'éjection à section variable d'une nacelle (10) de turboréacteur (20) d'un aéronef, le dispositif (44) 5 comportant : - un calculateur (46) adapté pour déterminer une consigne de position de la tuyère (32), - des moyens d'actionnement (42) de la tuyère (32) qui sont associés audit calculateur (46) et qui sont adaptés pour commander la position 10 de la tuyère (32) variable selon ladite consigne de position, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de gestion de l'asservissement de la position de la tuyère (32) variable en fonction du débit du carburant alimentant le turboréacteur (20), lesdits moyens de gestion comportant au moins un capteur de débit (48) instantané du carburant et une 15 unité de gestion (50) qui est conçue pour : - comparer le débit mesuré par le capteur de débit (48) à un débit de carburant théorique en fonction des paramètres du vol de l'aéronef, - déterminer une valeur de correction de la position de la tuyère (32) en fonction de la comparaison du débit mesuré et du débit théorique de 20 carburant, et - corriger la consigne de position de la tuyère (32) suivant la valeur de correction.
2. Dispositif (44) de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de gestion (50) est conçue pour faire varier la position de la 25 tuyère (32) dans une pluralité de positions et mesurer le débit de carburant pour chaque position adoptée, afin de déterminer la position offrant le rendement optimum de fonctionnement du turboréacteur (20).
3. Dispositif (44) de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de gestion 30 comportent une unité de stockage (52) de données qui contient une table de données du débit de carburant théorique en fonction des paramètres de vol de l'aéronef.
4. Dispositif (44) de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que la table de donnée est adaptée pour être mise à jour. 3029985 11
5. Dispositif (44) de contrôle selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'unité de stockage (52) de données permet d'enregistrer les valeurs de correction de la position de la tuyère (32) au cours de plusieurs vols.
6. Dispositif (44) de contrôle selon la revendication 5, caractérisé 5 en ce que l'unité de stockage (52) est réalisée par de la mémoire non volatile
7. Dispositif (44) de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de gestion comportent un intégrateur qui est adapté pour calculer dans le temps l'intégrale du débit de carburant mesuré pour affiner la précision de la mesure dudit débit. 10
8. Dispositif (44) de contrôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de mesure (54) de la position de la tuyère (32) variable.
9. Procédé pour la mise en oeuvre d'un dispositif de contrôle (44) d'une tuyère (32) d'éjection à section variable d'une nacelle (10) de 15 turboréacteur (20) d'un aéronef, ledit dispositif (44) étant conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant au moins : - une étape de comparaison du débit mesuré par le capteur de débit (48) à un débit de carburant théorique en fonction des paramètres du vol, - une étape de détermination d'une valeur de correction de la 20 position de la tuyère (32) en fonction de la comparaison du débit mesuré et du débit théorique de carburant, - une étape de correction de la consigne de position de la tuyère (32) suivant la valeur de correction obtenue à l'étape de détermination.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il 25 comporte une étape de recherche du fonctionnement optimum qui consiste à : - faire varier la position de la tuyère (32) dans une pluralité de positions différentes, suivant différentes consignes de position de la tuyère (32), - mesurer le débit de carburant correspondant à chaque position 30 adoptée pour déterminer le rendement optimum du turboréacteur (20).
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape de recherche comprend une phase d'enregistrement qui consiste à enregistrer la position permettant le meilleur rendement suivant les paramètres de vol déterminés. 35