WO2012028804A1 - Detection d'une ingestion d'eau ou de grele dans une turbomachine. - Google Patents

Detection d'une ingestion d'eau ou de grele dans une turbomachine. Download PDF

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hail
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Cédrik DJELASSI
Alexandra Riou
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SNECMA SAS
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    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/28—Regulating systems responsive to plant or ambient parameters, e.g. temperature, pressure, rotor speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/09—Purpose of the control system to cope with emergencies
    • F05D2270/096—Purpose of the control system to cope with emergencies caused by water or hail ingestion

Definitions

  • the invention relates to the general field of aeronautics.
  • the invention relates to the detection of ingestion of water or hail by a turbomachine of an aircraft engine.
  • An aircraft engine turbomachine typically comprises a combustion chamber, the combustion gases from the combustion chamber driving a high pressure turbine (HP) and a low pressure turbine (LP).
  • HP turbine is coupled by a shaft to an HP compressor supplying the combustion chamber with compressed air while the LP turbine is coupled by another shaft to a fan at the engine inlet.
  • the blower and the compressor absorb the air necessary for the proper functioning of the turbomachine but can also ingest, depending on the atmospheric conditions, water or hail, for example when the aircraft encounters a storm or passes through a body of clouds .
  • the water and hail thus absorbed can disturb the operation of the turbomachine.
  • the compressor can generally raise the air temperature sufficiently so that the water ingested is vaporized and heated to a sufficiently high temperature so as not to extinguish the combustion chamber.
  • the engine is at idle speed, for example during a descent trajectory, on approach, during the landing phase, the water can reach the combustion chamber, causing the extinction of one or more burners, or even the combustion chamber and the engine stop.
  • the document FR 2 681 377 proposes to detect an ingestion of water as a function of a difference between the temperature of the air at the inlet of the compressor T2 and the output of the compressor T3. Moreover, this detection can be confirmed by an estimation of the combustion efficiency.
  • a disadvantage of this solution is that it requires an empirical determination of the characteristics of the engine. In addition, depending on the circumstances, ingestion of water may not be detected. Indeed, the calculated temperature difference does not allow to detect an ingestion of water in all circumstances.
  • US 5,471,831 also proposes to detect an ingestion of water from the air temperature at the inlet and the outlet of the compressor, and the pressure in the combustion chamber.
  • ingestion of water may not be detected.
  • the variations in the pressure in the combustion chamber are relatively small to be able to draw any clear conclusions.
  • the object of the invention is to provide a method for detecting ingestion of water or hail that does not present at least some of the aforementioned drawbacks.
  • an object of the invention is to enable detection in various circumstances.
  • the invention proposes a method for detecting ingestion of water or hail in a turbomachine, said turbomachine comprising at least one compressor, a combustion chamber and a turbine,
  • the global indicator corresponds to the sum of at least two different indicators.
  • the two indicators being different, they can lead to different conclusions.
  • three situations can be envisaged;
  • both indicators have a value indicating ingestion
  • - the first indicator has a value indicating ingestion
  • the second indicator has a value indicating no ingestion
  • the first indicator has a value indicating no ingestion and the second indicator has a value indicating an ingestion.
  • the detection method of the invention makes it possible to detect the ingestion of water or hail under various circumstances.
  • the detection method may include:
  • the value of the first indicator is estimated as a function of a difference between a fall in the temperature T3 and a fall in the temperature T3
  • the value of the second indicator is estimated as a function of a difference between the temperature T3 and the temperature T3M.
  • the value of the first indicator is estimated by taking into account a normalization function which minimizes the importance of small drops in temperature T3.
  • the detection method may include:
  • the value of the second indicator is estimated by taking into account a normalization function which depends on a time variation of said rotational speed N2.
  • the detection method may also include:
  • the detection method may also include:
  • the value of said global indicator is calculated by adding said first indicator, said second indicator and said third indicator.
  • the detection method may include:
  • the invention also proposes a method for controlling a turbomachine comprising at least one compressor, a combustion chamber and a turbine, the method comprising:
  • a step of determining a fuel flow setpoint in a range exceeding said upper stop In response to the detection of ingestion of water or hail, a step of determining a fuel flow setpoint in a range exceeding said upper stop.
  • the invention also proposes a method for controlling a turbomachine comprising at least one compressor, a combustion chamber and a turbine, the method comprising:
  • a step of selecting a reignition fuel flow rate greater than a nominal re-ignition fuel flow rate in response to the detection of ingestion of water or hail leading to extinction, a step of selecting a reignition fuel flow rate greater than a nominal re-ignition fuel flow rate.
  • control method comprises a step of determining an idle speed reference as a function of said global indicator.
  • the invention provides a computer program comprising instructions for executing a method of detection when the program is executed by a computer, and an electronic unit for controlling a turbomachine, said electronic unit comprising a memory containing a computer program according to the invention.
  • the invention also provides an aircraft engine comprising a turbomachine and an electronic unit according to the invention.
  • FIG. 1 is a simplified view, in perspective, of a turbomachine suitable for implementing a detection method according to one embodiment of the invention.
  • FIGS. 2 to 5 are diagrams showing means for determining indicators of ingestion of water or hail.
  • the invention will be mainly described below in the context of its application to a propulsion engine turbine engine for an airplane such as for example that shown in a very simplified manner in FIG.
  • turbomachines including helicopter turbines, industrial turbines or auxiliary power unit turbines (APU).
  • APU auxiliary power unit turbines
  • the turbomachine of FIG. 1 comprises a combustion chamber 1, the combustion gases coming from chamber 1 driving a high pressure turbine (HP) 2 and a low pressure turbine (LP) 3.
  • HP turbine 2 is coupled by a shaft an HP 4 compressor supplying the combustion chamber 1 with pressurized air while the LP turbine 3 is coupled by another shaft to a fan 5 at the engine inlet.
  • the operation of the turbomachine is controlled by an electronic control unit, which implements a main control loop for controlling the speed of the turbomachine at a desired speed depending on the desired thrust, by acting on the flow of fuel brought to the combustion chamber 1.
  • the size slave can for example be the rotational speed Ni of the blower 5 and the LP turbine 3, or the engine pressure ratio EPP (for "Engine Pressure Ratio").
  • the electronic control unit acquires signals representative of various measured operating parameters, in particular;
  • the fuel flow rate Wf32 measured for example from the position of the fuel dispenser
  • the electronic control unit can estimate the value of certain parameters using models.
  • the temperature T25 can be estimated by a T25M temperature model and the temperature T3 can be estimated by a T3M temperature model.
  • Temperature models T25M and T3M are known to those skilled in the art and it is not necessary to give a detailed description.
  • the electronic control unit implements a method of detecting ingestion of water or hail and adapts the operation of the turbomachine when ingestion is detected.
  • the electronic control unit calculates the value of a global indicator IG by adding three different indicators II, 12 and 134;
  • FIG. 2 diagrammatically represents indicator estimation means II, which can be implemented for example in the form of a software module executed by the electronic control unit.
  • FIG. 2 represents a detection module 20 able to detect a fall in temperature T3.
  • the module 20 calculates the time derivative dT3 / dt of the temperature T3 and, when it detects a fall characterized by dT3 / dt ⁇ 0, it generates a storage signal for the storage modules 21 and 22.
  • the storage modules 21 and 22 When they receive the storage signal of the detection module 20, the storage modules 21 and 22 store the current values of the temperatures T3 and T3M, respectively.
  • the subtracter module 23 receives, on the one hand, the current value of the temperature T3 and, on the other hand, the value of the temperature T3 stored by the storage module 21.
  • the subtractor module 23 thus provides a difference ⁇ 3 representing the magnitude of the drop in temperature T3 since detection by the detection module 20.
  • the subtractor module 24 receives on the one hand the current value of the temperature T3 and on the other hand the value of the temperature T3 stored by the storage module 22.
  • the subtractor module 24 thus provides a difference ⁇ 3 ⁇ representing the magnitude of the fall in temperature T3M since detection by the detection module 20.
  • the subtractor module 25 calculates the difference ⁇ 1 between ⁇ 3 and
  • a module 26 compares the rotation speed N2 with a threshold S. Indeed, it is known that the model of the temperature T3M is valid only from a rotation speed N2 sufficient.
  • the module 26 sends a switching signal to the switch 27 to select the value 0.
  • the module 26 sends a switching signal to the switch 27 to select the difference ⁇ 1.
  • the difference ⁇ 1 or the value 0 is therefore transmitted by the switch 27 to the normalization module 28.
  • the normalization module 28 supplies the value of the indicator II.
  • the normalization module 28 provides a value between 0 and 1 by applying a function F increasing to the value received from the switch 27, taken into absolute value.
  • the F function can minimize the importance of low temperature drops in order to avoid false detection due to dynamic inaccuracy of the model.
  • the indicator II will be worth 0. If the rotation speed N2 is sufficient, the inductor II will be all the closer to 1 because the difference ⁇ 1 is high (in absolute value). . A high value of indicator II thus indicates a high difference between the fall in temperature T3 and the fall in temperature T3, which is characteristic of ingestion.
  • the indicator II makes it possible to detect an ingestion very effectively in the event of a change of state since it measures a relative difference between the fall in temperature T3 and its theoretical value. It gets rid of the static error on the T3M temperature model but not the dynamic error on the model.
  • the indicator 12 aims to characterize the absolute difference between the temperature T3 and the temperature T3M.
  • FIG. 3 diagrammatically represents means for estimating the indicator 12, which can be implemented for example in the form of a software module executed by the electronic control unit.
  • the temperature T3 is filtered by a filter 30 which provides a temperature T3F.
  • the filter 30 is for example a low-pass filter of order 1 and eliminates the measurement noise to avoid false detections.
  • the subtractor 31 calculates the difference ⁇ 2 between the temperature T3F and the temperature T3.
  • the module 33 provides the minimum between 0 and ⁇ 2 to not take into account the situations where T3 is higher than T3M.
  • the difference ⁇ 2 is normalized by dividing it, by the divider 34, by a coefficient C representing a coefficient of minimum temperature of ingestion.
  • the coefficient C is determined by a normalization module 32 which has at its input the time derivative dN2 / dt of the rotation speed N2.
  • the accuracy of the T3M model depends on the variations of regime (stabilized phase, acceleration, deceleration, ).
  • the model is in particular more accurate in stabilized than a transient.
  • the coefficient C will be higher (in absolute value) so that the requirement of a difference between T3 and T3M to detect ingestion is less restrictive.
  • the modules 35 and 36 make it possible to limit the indicator 12 between
  • the value of the indicator 12 will be 0. If the temperature T3 is lower than the temperature T3M, the value of the indicator 12 will be even closer to
  • a value of the indicator 12 equal to or close to 1 indicates ingestion, and a value equal to or close to 0 does not indicate ingestion.
  • the indicator 12 is complementary to the indicator II, because it allows detections without change of state. This is particularly interesting at startup or after a reset of the electronic control unit, because the indicator II does not detect in such circumstances.
  • the indicator 134 is calculated according to an indicator 13 and an indicator 14.
  • the electronic control unit implements a main control loop to control the speed of the turbomachine at a set speed, by acting on the flow of fuel fed to the combustion chamber 1.
  • the electronic control unit determines a fuel flow setpoint within a limited range by an upper stop, said stop C / P, which is intended to protect the engine from pumping.
  • Ingestion of water or hail tends to reduce the speed of the turbomachine.
  • the electronic control unit will tend, in case of ingestion, to increase the flow setpoint of fuel. This increase can go up to an operation on the stop C / P.
  • FIG. 4 schematically represents means for estimating the indicator 13, which can be implemented for example in the form of a software module executed by the electronic control unit.
  • FIG. 4 represents a module 40 for determining the storage condition.
  • the module 40 sends a storage signal to the storage module 41.
  • the storage module 41 then stores the current value of the WT32 flow.
  • the subtractor 42 determines the difference ⁇ 3 between the current value of the flow Wf32 and the flow rate stored by the module 41.
  • the module 43 selects the maximum between the difference ⁇ 3 and the value 0 to take into account only the increases in flow.
  • the output of the module 43 is supplied to the normalization module 44 which makes it possible to limit the influence of the small variations of the flow rate and to highlight the important variations.
  • the output of the normalization module 44 therefore represents the increases in the bit rate Wf32 and is supplied to the module 45.
  • the subtractor 46 determines the margin at the stop, that is to say the difference between the flow Wf32 and the maximum flow rate during operation on the stop C / P.
  • the normalization module 47 converts a low margin into a large output value and a large margin into a low output value.
  • the output of the normalization module 47 is supplied to a selector 48 which supplies to the module 45 either the value provided by the normalization module 48 or the value 0, as a function of the selection signal supplied by the module 49 for determining a selection condition.
  • the module 49 provides a signal indicating to select the value provided by the normalization module 48 when the indicator II is greater than a predetermined threshold.
  • the elements 40 to 44 determine a first signal representative of the increase in flow, and the elements 46 to 49 determine a second signal representative of the margin at the stop.
  • the increase of flow is not limited.
  • the first signal will have a high value and the second signal will have a low value.
  • the increase in flow is limited.
  • the first signal will have a low value and the second signal will have a high value because inversely proportional to the margin.
  • the module 45 selects the highest of the first signal and the second aforementioned signal to provide the indicator 13.
  • the indicator 13 will have a high value.
  • the normalization modules 44 and 47 are for example designed to provide a value between 0 and 1. Thus, a value of the indicator 13 equal to or close to 1 indicates ingestion, and a value equal to or close to 0 indicates no ingestion.
  • ingestion can cause a fall or stagnation of the speed of the turbomachine. More precisely, if the control loop implemented by the electronic control unit aims to keep the rotation speed N2 constant, the rotation speed N2 stagnates if it is swallowed. However, when operating on the stops or if the regulated parameter is not the rotation speed N2 (for example it is the engine compression ratio), ingestion can cause a fall in the rotation speed N2.
  • FIG. 5 schematically represents means for estimating the indicator 14, which can be implemented for example in the form of a software module executed. by the electronic control unit.
  • Fig. 5 shows a storage condition determining module 50.
  • the module 50 sends a storage signal to the storage module 51.
  • the storage module 51 then stores the current value of the rotation speed N2.
  • the subtracter 52 determines the difference ⁇ 5 between the current value of the rotation speed N2 and the speed memorized by the storage module 51.
  • the module 53 selects the minimum between difference ⁇ 5 and the value 0 to take into account only decreases in speed.
  • the output of the module 53 is supplied to the normalization module 54 which makes it possible to limit the influence of the low power drops and to highlight the important drops in speed.
  • the output of the normalization module 54 provides the indicator 14.
  • the normalization module 54 is for example designed to provide a value between 0 and 1. Thus, a value of the indicator 14 equal to or close to 1 indicates an ingestion, and a value equal to or close to 0 does not indicate 'ingestion.
  • the indicator 134 is determined by performing the weighted sum of the indicators 13 and 14.
  • the weighting makes it possible to choose the relative importance of the indicators 13 and 14 and can also make it possible to limit the value of the indicator 134 in the range between 0 and 14. 1.
  • the global indicator IG is the sum of the indicators II, 12 and 134. Furthermore, as previously explained, a value close to 0 of one of the indicators II, 12 and 134 does not indicate any ingestion and a value close to 1 of one of the indicators II, 12 and 134 indicates ingestion.
  • the global indicator IG will have a value between 0 and 3, a value close to 0 indicating no ingestion and a value close to 3 indicating ingestion.
  • the electronic control unit If the global indicator IG is greater than a predetermined threshold S inge st, the electronic control unit therefore concludes ingestion of water or hail.
  • the electronic control unit considers that ingestion continues as long as the value of the global indicator IG has not fallen below a threshold S in gesttermree, for example equal to half the threshold S, ng is-
  • the electronic control unit adapts the operation of the turbomachine.
  • the electronic control unit determines a fuel flow setpoint in a limited range by an upper stop, said stop C / P.
  • the electronic control unit can evict the stop and thus determine a fuel flow setpoint greater than the stop. it allows to increase the richness of the mixture in the combustion chamber 1 and thus maintain the speed of the turbomachine.
  • the electronic control unit uses a predetermined refueling fuel flow instruction. If ingestion of water has resulted in extinction, a higher re-ignition fuel flow instruction may be used. This facilitates reignition.
  • the electronic unit determines an idle speed reference as a function of the global indicator IG. Specifically, if the global indicator IG is zero or low, it indicates a lack of ingestion and low idle speed can be controlled without risking extinguishing the combustion chamber. On the other hand, if the global indicator IG is high, this indicates an ingestion and a higher idle speed is controlled, to avoid extinction of the combustion chamber.
  • An overall indicator determined above has been described by adding three indicators.
  • the invention comprises calculating a global indicator by adding any number of different indicators.
  • the three indicators previously described each have a value between 0 and 1.
  • the indicators may have values in different ranges. This allows for example to give more importance to one indicator than another.

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Abstract

Procédé de détection d'une ingestion d'eau ou de grêle dans une turbomachine, ladite turbomachine comprenant au moins un compresseur (4), une chambre de combustion (1) et une turbine (2), ledit procédé comprenant: une étape d'estimation de la valeur d'un premier indicateur représentatif d'une ingestion d'eau ou de grêle, une étape d'estimation de la valeur d'un deuxième indicateur représentatif d'une ingestion d'eau ou de grêle, ledit deuxième indicateur étant différent du premier indicateur, une étape de calcul de la valeur d'un indicateur global en additionnant au moins ledit premier indicateur et ledit deuxième indicateur.

Description

DETECTION D'UNE INGESTION D'EAU OU DE GRELE
DANS UNE TURBOMACHINE
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne le domaine général de l'aéronautique. En particulier, l'invention se rapporte à la détection d'une ingestion d'eau ou de grêle par une turbomachine d'un moteur d'aéronef.
Une turbomachine de moteur d'aéronef comprend typiquement une chambre de combustion, les gaz de combustion issus de la chambre de combustion entraînant une turbine haute pression (HP) et une turbine basse pression (BP). La turbine HP est couplée par un arbre à un compresseur HP alimentant la chambre de combustion en air comprimé tandis que la turbine BP est couplée par un autre arbre à une soufflante en entrée du moteur.
La soufflante et le compresseur absorbent l'air nécessaire au bon fonctionnement de la turbomachine mais peuvent aussi ingérer, selon les conditions atmosphériques, de l'eau ou de la grêle, par exemple lorsque l'aéronef rencontre un orage ou traverse un corps de nuages. L'eau et la grêle ainsi absorbées peuvent perturber le fonctionnement de la turbomachine.
En fonctionnement au régime plein gaz, le compresseur peut généralement élever suffisamment la température de l'air pour que l'eau ingérée soit vaporisée et portée à une température suffisamment élevée pour ne pas provoquer l'extinction de la chambre de combustion. Par contre, si le moteur est au régime ralenti, par exemple lors d'une trajectoire de descente, en approche, en phase d'atterrissage, l'eau peut parvenir à la chambre de combustion, provoquant l'extinction d'un ou plusieurs brûleurs, voire de la chambre de combustion et l'arrêt du moteur.
Il est donc souhaitable de détecter l'ingestion d'eau ou de grêle et d'adapter le fonctionnement du moteur dans ce cas.
A cet effet, le document FR 2 681 377 propose de détecter une ingestion d'eau en fonction d'une différence entre la température de l'air à l'entrée du compresseur T2 et à la sortie du compresseur T3. De plus, cette détection peut être confirmée par une estimation du rendement de combustion.
Un inconvénient de cette solution est qu'elle nécessite une détermination empirique des caractéristiques du moteur. De plus, selon les circonstances, une ingestion d'eau peut ne pas être détectée. En effet, la différence de température calculée ne permet pas de détecter une ingestion d'eau en toutes circonstances.
Le document US 5 471 831 propose également de détecter une ingestion d'eau à partir de la température de l'air en entrée et en sortie du compresseur, et de la pression dans la chambre de combustion. Ici également, selon les circonstances, une ingestion d'eau peut ne pas être détectée. En effet, les variations de la pression dans la chambre de combustion sont relativement faibles pour pouvoir en tirer des conclusions nettes.
II existe donc un besoin pour détecter une ingestion d'eau ou de grêle de manière robuste, performante et rapide.
Objet et résumé de l'invention
L'invention a pour but de fournir un procédé de détection d'une ingestion d'eau ou de grêle qui ne présente pas au moins certains des inconvénients précités. En particulier, un but de l'invention est de permettre la détection dans des circonstances variées.
A cet effet, l'invention propose un procédé de détection d'une ingestion d'eau ou de grêle dans une turbomachine, ladite turbomachine comprenant au moins un compresseur, une chambre de combustion et une turbine,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape d'estimation de la valeur d'un premier indicateur représentatif d'une ingestion d'eau ou de grêle,
- une étape d'estimation de la valeur d'un deuxième indicateur représentatif d'une ingestion d'eau ou de grêle, ledit deuxième indicateur étant différent du premier indicateur,
une étape de calcul de la valeur d'un indicateur global en additionnant au moins ledit premier indicateur et ledit deuxième indicateur.
Autrement dit, l'indicateur global correspond à la somme d'au moins deux indicateurs différents. Les deux indicateurs étant différents, ils peuvent aboutir à des conclusions différentes. Ainsi, selon les circonstances, en cas d'ingestion d'eau ou de grêle, trois situations peuvent être envisagées ;
- les deux indicateurs ont une valeur indiquant une ingestion, - le premier indicateur a une valeur indiquant une ingestion et le deuxième indicateur a une valeur n'indiquant pas d'ingestion,
- le premier indicateur a une valeur n'indiquant pas d'ingestion et le deuxième indicateur a une valeur indiquant une ingestion.
Comme l'indicateur global correspond à la somme d'au moins le premier indicateur et le deuxième indicateur, sa valeur indiquera une ingestion dans les trois situations précitées. Ainsi, le procédé de détection de l'invention permet de détecter l'ingestion d'eau ou de grêle dans des circonstances variées.
Le procédé de détection peut comprendre :
- une étape de mesure d'une température T3 à l'entrée de la chambre de combustion,
- une étape d'estimation d'une température T3M modélisant la température T3,
dans lequel la valeur du premier indicateur est estimée en fonction d'une différence entre une chute de la température T3 et une chute de la température T3 , et la valeur du deuxième indicateur est estimée en fonction d'une différence entre la température T3 et la température T3M.
Selon un mode de réalisation, la valeur du premier indicateur est estimée en tenant compte d'une fonction de normalisation qui minimise l'importance de faibles chutes de la température T3.
Le procédé de détection peut comprendre :
- une étape de mesure d'une vitesse de rotation N2 du compresseur et de la turbine,
dans lequel la valeur du deuxième indicateur est estimée en tenant compte d'une fonction de normalisation qui dépend d'une variation temporelle de ladite vitesse de rotation N2.
Le procédé de détection peut aussi comprendre :
- une étape de filtrage de la température T3 mesurée,
dans lequel la valeur du deuxième indicateur est estimée en fonction de la différence entre la température T3 filtrée et la température T3M. Le procédé de détection peut également comprendre :
- une étape de mesure d'un débit de carburant Wf32,
- une étape d'estimation de la valeur d'un troisième indicateur représentatif d'une ingestion d'eau ou de grêle, en fonction d'au moins ledit débit de carburant Wf32,
dans lequel la valeur dudit indicateur global est calculée en additionnant ledit premier indicateur, ledit deuxième indicateur et ledit troisième indicateur.
Le procédé de détection peut comprendre :
- une étape de mesure d'une vitesse de rotation N2 du compresseur et de la turbine,
dans lequel la valeur dudit troisième indicateur est estimée en fonction d'une chute de la vitesse de rotation N2.
L'invention propose également un procédé de commande d'une turbomachine comprenant au moins un compresseur, une chambre de combustion et une turbine, le procédé comprenant :
- une étape de détermination d'une consigne de débit de carburant dans une plage limitée par une butée supérieure,
- une étape de détection d'ingestion d'eau ou de grêle effectuée selon le procédé de détection ci-dessus,
- en réponse à la détection d'ingestion d'eau ou de grêle, une étape de détermination d'une consigne de débit de carburant dans une plage dépassant ladite butée supérieure.
L'invention propose aussi un procédé de commande d'une turbomachine comprenant au moins un compresseur, une chambre de combustion et une turbine, le procédé comprenant :
- une étape de détection d'ingestion d'eau ou de grêle effectuée selon le procédé de détection selon l'invention ci-dessus,
- en réponse à la détection d'ingestion d'eau ou de grêle ayant entraîné une extinction, une étape sélection d'un débit de carburant de rallumage supérieur à un débit de carburant de rallumage nominal.
Selon une variante, le procédé de commande comprend une étape de détermination d'une consigne de régime ralenti en fonction dudit indicateur global.
De manière correspondante, l'invention fournit un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution d'un procédé de détection lorsque le programme est exécuté par un ordinateur, et une unité électronique pour la commande d'une turbomachine, ladite unité électronique comprenant une mémoire contenant un programme d'ordinateur selon l'invention. L'invention fournit également un moteur d'aéronef comprenant une turbomachine et une unité électronique selon l'invention.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue simplifiée, en perspective, d'une turbomachine convenant pour mettre en œuvre un procédé de détection selon un mode de réalisation de l'invention ; et
- les figures 2 à 5 sont des schémas représentant des moyens de détermination d'indicateurs de l'ingestion d'eau ou de grêle.
Description détaillée de modes de réalisation
L'invention sera principalement décrite ci-après dans le cadre de son application à une turbomachine de moteur de propulsion pour avion telle que par exemple celle montrée de façon très simplifiée sur la figure 1.
L'invention est toutefois applicable à d'autres turbomachines, notamment des turbines d'hélicoptères, des turbines industrielles ou des turbines de groupes auxiliaires de puissance (APU).
La turbomachine de la figure 1 comprend une chambre de combustion l, les gaz de combustion issus de la chambre 1 entraînant une turbine haute pression (HP) 2 et une turbine basse pression (BP) 3. La turbine HP 2 est couplée par un arbre à un compresseur HP 4 alimentant la chambre de combustion 1 en air sous pression tandis que la turbine BP 3 est couplée par un autre arbre à une soufflante 5 en entrée du moteur.
Le fonctionnement de la turbomachine est commandé par une unité électronique de commande, qui met en œuvre une boucle de régulation principale pour asservir le régime de la turbomachine à un régime de consigne fonction de la poussé souhaitée, par action sur le débit de carburant amené à la chambre de combustion 1. La grandeur asservie peut par exemple être la vitesse de rotation Ni de la soufflante 5 et de la turbine BP 3, ou le rapport de pression moteur EPP (pour « Engine Pressure Ratio »).
A cet effet, l'unité électronique de commande acquiert des signaux représentatifs de différents paramètres de fonctionnement mesurés, notamment ;
- la température T25 en entrée du compresseur HP 4,
- la température T3 en entrée de la chambre de combustion 1,
- le débit de carburant Wf32, mesuré par exemple à partir de la position du doseur de carburant,
- la vitesse de rotation N2 de la turbine HP 2 et du compresseur HP 4.
Par ailleurs, l'unité électronique de commande peut estimer la valeur de certains paramètres en utilisant des modèles. Par exemple, la température T25 peut être estimée par un modèle de température T25M et la température T3 peut être estimée par un modèle de température T3M. Des modèles de température T25M et T3M sont connus de l'homme du métier et il n'est pas nécessaire d'en donner une description détaillée.
Comme expliqué précédemment, une ingestion d'eau ou de grêle peut perturber le fonctionnement de la turbomachine. Ainsi, l'unité électronique de commande met en œuvre un procédé de détection d'ingestion d'eau ou de grêle et adapte le fonctionnement de la turbomachine lorsqu'une ingestion est détectée.
On décrit maintenant ce procédé de détection d'ingestion d'eau ou de grêle.
Pour détecter une ingestion, l'unité électronique de commande calcule la valeur d'un indicateur global IG en additionnant trois indicateurs différents II, 12 et 134 ;
IG = Il + 12 + 134.
Lors d'une ingestion d'eau ou de grêle, la température T3 mesurée diffère du modèle de température T3M. Cette différence se caractérise par une stagnation de la valeur de la température T3 alors que la température T3 chute, par exemple de plusieurs dizaines de degrés. Pour constater cette différence, le modèle T3M peut utiliser en entrée la température T25M et non la température T25, pour éviter toute perturbation de la température T25 par de la glace. L'indicateur II vise à caractériser la différence dynamique entre la température T3 et la température T3M. La figure 2 représente schématiquement des moyens d'estimation de l'indicateur II, qui peuvent être mis en œuvre par exemple sous forme d'un module logiciel exécuté par l'unité électronique de commande.
La figure 2 représente un module de détection 20 apte à détecter une chute de la température T3. Par exemple, le module 20 calcule la dérivée temporelle dT3/dt de la température T3 et, lorsqu'il détecte une chute caractérisée par dT3/dt < 0, il génère un signal de mémorisation à destination des modules de mémorisation 21 et 22.
Lorsqu'ils reçoivent le signal de mémorisation du module de détection 20, les modules de mémorisation 21 et 22 mémorisent les valeurs courantes des températures T3 et T3M, respectivement.
Ainsi, le module soustracteur 23 reçoit d'une part la valeur courante de la température T3 et d'autre part la valeur de la température T3 mémorisée par le module de mémorisation 21. Le module soustracteur 23 fournit donc une différence ΔΤ3 représentant l'ampleur de la chute de la température T3 depuis la détection par le module de détection 20.
De manière correspondante, le module soustracteur 24 reçoit d'une part la valeur courante de la température T3 et d'autre part la valeur de la température T3 mémorisée par le module de mémorisation 22. Le module soustracteur 24 fournit donc une différence ΔΤ3Μ représentant l'ampleur de la chute de la température T3M depuis la détection par le module de détection 20.
Le module soustracteur 25 calcule la différence Δ1 entre ΔΤ3 et
ΔΤ3Μ.
Un module 26 compare la vitesse de rotation N2 avec un seuit S. En effet, on sait que le modèle de la température T3M n'est valide qu'à partir d'une vitesse de rotation N2 suffisante.
Si la vitesse de rotation N2 est inférieure au seuil S, cela signifie que le modèle de la température T3M n'est pas valide. Ainsi, le module 26 envoi un signal de commutation au commutateur 27 pour sélectionner la valeur 0. Par contre, si la vitesse de rotation N2 est supérieure au seuil S, cela signifie que le modèle de la température T3 est valide. Ainsi, le module 26 envoie un signal de commutation au commutateur 27 pour sélectionner la différence Δ1. La différence Δ1 ou la valeur 0 est donc transmise par le commutateur 27 au module de normalisation 28. Le module de normalisation 28 fournit la valeur de l'indicateur II.
Par exemple, le module de normalisation 28 fournit une valeur comprise entre 0 et 1 en appliquant une fonction F croissante à la valeur reçue du commutateur 27, prise en valeur absolue. La fonction F peut minimiser l'importance des faibles chutes de température afin d'éviter de fausses détection dues à une imprécision dynamique du modèle.
Ainsi, si la vitesse de rotation N2 est insuffisante, l'indicateur II vaudra 0. Si la vitesse de rotation N2 est suffisante, l'inducteur II sera d'autant plus proche de 1 que la différence Δ1 est élevée (en valeur absolue). Une valeur élevée de l'indicateur II indique donc une différence élevée entre la chute de la température T3 et la chute de la température T3 , ce qui est caractéristique d'une ingestion.
Autrement dit, une valeur de l'indicateur II égale ou proche de
1 indique une ingestion, et une valeur égale ou proche de 0 n'indique pas d'ingestion.
L'indicateur II permet de détecter une ingestion de manière très efficace en cas de changement d'état puisqu'il mesure un écart relatif entre la chute de la température T3 et de sa valeur théorique. Il s'affranchit de l'erreur statique sur le modèle de la température T3M mais pas de l'erreur dynamique sur le modèle.
L'indicateur 12 vise à caractériser la différence absolue entre la température T3 et la température T3M. La figure 3 représente schématiquement des moyens d'estimation de l'indicateur 12, qui peuvent être mis en œuvre par exemple sous forme d'un module logiciel exécuté par l'unité électronique de commande.
La température T3 est filtrée par un filtre 30 qui fournit une température T3F. Le filtre 30 est par exemple un filtre passe-bas d'ordre 1 et permet d'éliminer le bruit de mesure pour éviter les fausses détections.
Le soustracteur 31 calcule la différence Δ2 entre la température T3F et la température T3 .
Comme expliqué précédemment, en cas d'ingestion, la température T3 chute alors que son modèle T3 stagne. Ainsi, le module 33 fournit le minimum entre 0 et Δ2 pour ne pas prendre en compte les situations où T3 est plus élevé que T3M. La différence Δ2 est normalisée en la divisant, par le diviseur 34, par un coefficient C représentant un coefficient de température minimum d'ingestion. Le coefficient C est déterminé par un module de normalisation 32 qui a en entrée la dérivée temporelle dN2/dt de la vitesse de rotation N2. En effet, la précision du modèle T3M dépend des variations de régime (phase stabilisée, d'accélération, de décélération,...). Le modèle est en particulier plus précis en stabilisé qu'un transitoire. Ainsi, en transitoire, le coefficient C sera plus élevé (en valeur absolue) pour que l'exigence d'une différence entre T3 et T3M pour détecter une ingestion soit moins contraignante.
Les modules 35 et 36 permettent de borner l'indicateur 12 entre
0 et 1.
Ainsi, si la température T3 et supérieure à la température T3M, la valeur de l'indicateur 12 sera 0. Si la température T3 est inférieure à la température T3M, la valeur de l'indicateur 12 sera d'autant plus proche de
1 que la différence Δ2 est élevée (en valeur absolue).
Autrement dit, une valeur de l'indicateur 12 égale ou proche de 1 indique une ingestion, et une valeur égale ou proche de 0 n'indique pas d'ingestion.
L'indicateur 12 est complémentaire à l'indicateur II, car il permet des détections sans changement d'état. Ceci est particulièrement intéressant au démarrage ou après une réinitialisation de l'unité électronique de commande, car l'indicateur II ne permet pas de détection dans de telles circonstances.
L'indicateur 134 est calculé en fonction d'un indicateur 13 et d'un indicateur 14.
Comme expliqué précédemment, l'unité électronique de commande met en œuvre une boucle de régulation principale pour asservir le régime de la turbomachine à un régime de consigne, par action sur le débit de carburant amené à la chambre de combustion 1. Ainsi, l'unité électronique de commande détermine une consigne de débit de carburant dans une plage limitée par une butée supérieure, dite butée C/P, qui a pour but de protéger le moteur du pompage.
Une ingestion d'eau ou de grêle a tendance à faire chuter le régime de la turbomachine. Ainsi, l'unité électronique de commande aura tendance, en cas d'ingestion, à augmenter la consigne de débit de carburant. Cette augmentation peut aller jusqu'à un fonctionnement sur la butée C/P.
L'indicateur 13 vise à caractériser cette augmentation de débit de carburant ou le fonctionnement sur butée. La figure 4 représente schématiquement des moyens d'estimations de l'indicateur 13, qui peuvent être mis en œuvre par exemple sous forme d'un module logiciel exécuté par l'unité électronique de commande.
La figure 4 représente un module 40 de détermination de condition de mémorisation. Lorsque l'indicateur II est supérieur à seuil prédéterminé et si l'unité électronique de commande ne commande aucune décélération du régime, le module 40 envoi un signal de mémorisation au module de mémorisation 41. Le module de mémorisation 41 mémorise alors la valeur courante du débit WT32.
Le soustracteur 42 détermine la différence Δ3 entre la valeur courante du débit Wf32 et le débit mémorisé par le module 41. Le module 43 sélectionne le maximum entre la différence Δ3 et la valeur 0 pour ne tenir compte que des augmentations de débit. La sortie du module 43 est fournie au module de normalisation 44 qui permet de limiter l'influence des faibles variations de débit et de mettre en avant les variations importantes. La sortie du module de normalisation 44 représente donc les augmentations du débit Wf32 et est fournie au module 45.
Le soustracteur 46 détermine la marge à la butée, c'est-à-dire la différence entre le débit Wf32 et le débit maximum lors du fonctionnement sur la butée C/P. Le module de normalisation 47 permet de convertir une marge faible en une valeur de sortie importante et une marge importante en une valeur de sortie faible. La sortie du module de normalisation 47 est fournie à un sélecteur 48 qui fournit au module 45 soit la valeur fournie par le module de normalisation 48, soit la valeur 0, en fonction du signal de sélection fourni par le module 49 de détermination d'une condition de sélection. Le module 49 fournit un signal indiquant de sélectionner la valeur fournie par le module de normalisation 48 lors que l'indicateur II est supérieur à un seuil prédéterminé.
Ainsi, si l'indicateur II est faible, les modules 40 et 49 ne déclenchent pas le calcul de l'indicateur 13, qui vaudra donc 0.
Par contre, si l'indicateur II est supérieur au seuil prédéterminé, alors les éléments 40 à 44 déterminent un premier signal représentatif de l'augmentation de débit, et les éléments 46 à 49 déterminent un deuxième signal représentatif de la marge à la butée.
En cas de marge importante, l'augmentation de débit n'est pas limitée. Ainsi, en cas d'ingestion, le premier signal aura une valeur élevée et le deuxième signal aura une valeur faible. Par contre, en cas de marge faible, l'augmentation de débit est limitée. Ainsi, en cas d'ingestion, le premier signal aura une valeur faible et le deuxième signal aura une valeur élevée car inversement proportionnel à la marge.
Le module 45 sélectionne le plus élevé du premier signal et du deuxième signal précité pour fournir l'indicateur 13. Ainsi, dans les deux cas précité, en cas d'ingestion, l'indicateur 13 aura une valeur élevée.
Les modules de normalisation 44 et 47 sont par exemple conçus pour fournir une valeur comprise entre 0 et 1. Ainsi, une valeur de l'indicateur 13 égale ou proche de 1 indique une ingestion, et une valeur égale ou proche de 0 n'indique pas d'ingestion.
Par ailleurs, une ingestion peut provoquer une chute ou une stagnation du régime de la turbomachine. Plus précisément, si la boucle de régulation mise en œuvre par l'unité électronique de commande vise à maintenir la vitesse de rotation N2 constante, la vitesse de rotation N2 stagne en cas d'ingestion. Cependant, en cas de fonctionnement sur les butées ou si le paramètre régulé n'est pas la vitesse de rotation N2 (par exemple il s'agit du rapport de compression moteur), une ingestion peut provoquer une chute de la vitesse de rotation N2.
L'indicateur 14 vise donc à caractériser les chutes de la vitesse de rotation IN 2. La figure 5 représente schématiquement des moyens d'estimation de l'indicateur 14, qui peuvent être mis en œuvre par exemple sous forme d'un module logiciel exécuté par l'unité électronique de commande.
La figure 5 représente un module 50 de détermination de condition de mémorisation. Lorsque l'indicateur II est supérieur à seuil prédéterminé, le module 50 envoi un signal de mémorisation au module de mémorisation 51. Le module de mémorisation 51 mémorise alors la valeur courante de la vitesse de rotation N2.
Le soustracteur 52 détermine la différence Δ5 entre la valeur courante de la vitesse de rotation N2 et la vitesse mémorisée par le module de mémorisation 51. Le module 53 sélectionne le minimum entre différence Δ5 et la valeur 0 pour ne tenir compte que des diminutions de régime. La sortie du module 53 est fournie au module de normalisation 54 qui permet de limiter l'influence des faibles chutes de régime et de mettre en avant les importantes chutes de régime. La sortie du module de normalisation 54 fournit l'indicateur 14.
Le module de normalisation 54 est par exemple conçu pour fournir une valeur comprise entre 0 et 1. Ainsi, une valeur de l'indicateur 14 égale ou proche de 1 indique une ingestion, et une valeur égale ou proche de 0 n'indique pas d'ingestion.
L'indicateur 134 est déterminé en effectuant la somme pondérée des indicateurs 13 et 14. La pondération permet de choisir l'importance relative des indicateurs 13 et 14 et peut aussi permettre de limiter la valeur de l'indicateur 134 dans la plage entre 0 et 1.
Comme expliqué précédemment, l'indicateur global IG est la somme des indicateurs II, 12 et 134. Par ailleurs, comme expliqué précédemment, une valeur proche de 0 d'un des indicateurs II, 12 et 134 n'indique pas d'ingestion et une valeur proche de 1 d'un des indicateurs II, 12 et 134 indique une ingestion.
Ainsi, l'indicateur global IG aura une valeur comprise entre 0 et 3, une valeur proche de 0 n'indiquant pas d'ingestion et une valeur proche de 3 indiquant une ingestion.
Si l'indicateur global IG est supérieure à un seuil Singest prédéterminé, l'unité électronique de commande conclut donc à une ingestion d'eau ou de grêle. L'unité électronique de commande considère que l'ingestion continue tant que la valeur de l'indicateur global IG n'est pas redescendue en dessous d'un seuil Singesttermree, par exemple égal à la moitié du seuil S,ngest-
Comme expliqué précédemment, lorsqu'une ingestion est détectée, l'unité électronique de commande adapte le fonctionnement de la turbomachine.
Par exemple, en fonctionnement normal, l'unité électronique de commande détermine une consigne de débit de carburant dans une plage limitée par une butée supérieure, dite butée C/P. Lorsqu'une ingestion est détectée, l'unité électronique de commande peut évincer la butée et ainsi déterminer une consigne de débit de carburant supérieure à la butée. Cela permet d'augmenter la richesse du mélange dans la chambre de combustion 1 et d'ainsi maintenir le régime de la turbomachine.
En fonctionnement normal, en cas d'extinction de la chambre de combustion, l'unité électronique de commande utilise une consigne de débit de carburant de rallumage prédéterminée. En cas d'ingestion d'eau ayant entraîné une extinction, une consigne de débit de carburant de rallumage plus élevée peut être utilisée. Cela permet de faciliter le rallumage.
Lors du fonctionnement au ralenti, le risque qu'une ingestion d'eau ou de grêle provoque une extinction de la chambre est accru. Dans les aéronefs de l'art antérieur, un régime ralenti élevé est utilisé pour limiter ce risque, ce qui a pour conséquence notamment de limiter le taux de descente. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'unité électronique détermine une consigne de régime ralenti en fonction de l'indicateur globale IG. Plus précisément, si l'indicateur global IG est nul ou faible, cela indique une absence d'ingestion et un régime ralenti faible peut être commandé, sans risquer une extinction de la chambre de combustion. Par contre, si l'indicateur global IG est élevé, cela indique une d'ingestion et un régime ralenti plus élevé est commandé, pour éviter une extinction de la chambre de combustion.
On a décrit précédemment un indicateur global déterminé en additionnant trois indicateurs. Bien entendu, l'invention comprend le calcul d'un indicateur global en additionnant un nombre quelconque d'indicateurs différents.
Les trois indicateurs précédemment décrits ont chacun une valeur comprise entre 0 et 1. Bien entendu, en variante, les indicateurs peuvent avoir des valeurs comprises dans des plages différentes. Cela permet par exemple de donner plus d'importance à un indicateur qu'à un autre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection d'une ingestion d'eau ou de grêle dans une turbomachine, ladite turbomachine comprenant au moins un compresseur (4), une chambre de combustion (1) et une turbine (2), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape d'estimation de la valeur d'un premier indicateur (II) représentatif d'une ingestion d'eau ou de grêle,
- une étape d'estimation de la valeur d'un deuxième indicateur (12) représentatif d'une ingestion d'eau ou de grêle, ledit deuxième indicateur étant différent du premier indicateur,
- une étape de calcul de la valeur d'un indicateur global en additionnant au moins ledit premier indicateur et ledit deuxième indicateur.
2. Procédé de détection selon la revendication 1, comprenant :
- une étape de mesure d'une température T3 à l'entrée de la chambre de combustion,
- une étape d'estimation d'une température T3M modélisant la température T3,
dans lequel la valeur du premier indicateur est estimée en fonction d'une différence (Δ1) entre une chute de la température T3 et une chute de la température T3M, et la valeur du deuxième indicateur est estimée en fonction d'une différence (Δ2) entre la température T3 et la température T3M.
3. Procédé de détection selon la revendication 2, dans lequel la valeur du premier indicateur est estimée en tenant compte d'une fonction de normalisation qui minimise l'importance de faibles chutes de la température T3.
4, Procédé de détection selon l'une des revendications 2 et 3, comprenant :
- une étape de mesure d'une vitesse de rotation N2 du compresseur et de la turbine,
dans lequel la valeur du deuxième indicateur est estimée en tenant compte d'une fonction de normalisation qui dépend d'une variation temporelle de ladite vitesse de rotation N2.
5. Procédé de détection selon l'une des revendications 2 à 4, comprenant :
- une étape de filtrage de la température T3 mesurée,
dans lequel la valeur du deuxième indicateur est estimée en fonction de la différence (Δ2) entre la température T3 filtrée (T3F) et la température T3M.
6. Procédé de détection selon l'une des revendications 2 à 5, comprenant :
- une étape de mesure d'un débit de carburant Wf32,
- une étape d'estimation de la valeur d'un troisième indicateur (134) représentatif d'une ingestion d'eau ou de grêle, en fonction d'au moins ledit débit de carburant Wf32,
dans lequel la valeur dudit indicateur global est calculée en additionnant ledit premier indicateur, ledit deuxième indicateur et ledit troisième indicateur.
7. Procédé de détection selon la revendication 6, comprenant :
- une étape de mesure d'une vitesse de rotation N2 du compresseur et de la turbine,
dans lequel la valeur dudit troisième indicateur (134) est estimée en fonction d'une chute de la vitesse de rotation N2.
8. Procédé de commande d'une turbomachine comprenant au moins un compresseur (4), une chambre de combustion (1) et une turbine (2), le procédé comprenant :
- une étape de détermination d'une consigne de débit de carburant dans une plage limitée par une butée supérieure,
- une étape de détection d'ingestion d'eau ou de grêle effectuée selon le procédé de détection selon l'une des revendications 1 à 7,
- en réponse à la détection d'ingestion d'eau ou de grêle, une étape de détermination d'une consigne de débit de carburant dans une plage dépassant ladite butée supérieure.
9. Procédé de commande d'une turbomachine comprenant au moins un compresseur (4), une chambre de combustion (1) et une turbine (2), le procédé comprenant ;
- une étape de détection d'ingestion d'eau ou de grêle effectuée selon le procédé de détection selon l'une des revendications 1 à 7,
- en réponse à la détection d'ingestion d'eau ou de grêle ayant entraîné une extinction, une étape sélection d'un débit de carburant de rallumage supérieur à un débit de carburant de rallumage nominal.
10. Procédé de commande d'une turbomachine comprenant au moins un compresseur (4), une chambre de combustion ( 1) et une turbine (2), le procédé comprenant ;
- une étape de détection d'ingestion d'eau ou de grêle effectuée selon le procédé de détection selon l'une des revendications 1 à 7,
- une étape de détermination d'une consigne de régime ralenti en fonction dudit indicateur global.
11. Programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 10 lorsque le programme est exécuté par un ordinateur.
12. Unité électronique pour la commande d'une turbomachine, ladite unité électronique comprenant une mémoire contenant un programme d'ordinateur selon la revendication 11.
13. Moteur d'aéronef comprenant une turbomachine et une unité électronique selon la revendication 12.
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