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FR2919673A1 - Assistance et secours a l'entrainement electrique d'une pompe a carburant dans un turbomoteur - Google Patents

Assistance et secours a l'entrainement electrique d'une pompe a carburant dans un turbomoteur Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un système d'entraînement d'une pompe à carburant (13) dans un turbomoteur (10), ledit système comportant un moteur électrique (21), et un moyen d'assistance fluidique (22) commandé par une vanne de commande (25).Dans ledit système, la vanne de commande (25) est une valve de régulation dont l'ouverture est régulée en fonction d'une information représentative de la vitesse de la pompe et/ou de celle du turbomoteur (10), et/ou du débit de carburant fourni au turbomoteur.De ce fait, la sécurité de fonctionnement du turboréacteur peut être augmentée en cas de défaillance du moteur électrique ou de son générateur électrique, et les ratios masse/encombrement/coût du système d'entrainement sont améliorés.

Description

L'invention concerne la sécurité du fonctionnement d'un turbomoteur,
notamment fixé sur un engin volant, et alimenté par une pompe à carburant dont le système d'entrainement comporte un (ou plusieurs) moteur(s) électrique(s). Elle concerne également l'optimisation d'un tel système d'entrainement, en permettant notamment une amélioration de ses ratios masse/coût/encombrement. Dans un tel système d'entrainement, habituellement le moteur électrique assure la régulation du débit de carburant, et aucun régulateur supplémentaire, qui serait de fait redondant, n'est prévu sur la ligne d'alimentation en carburant du turbomoteur. En outre, malgré la très grande fiabilité des systèmes électriques aujourd'hui, il est toujours possible qu'une panne électrique survienne en vol sur le moteur électrique entraînant la pompe, ou encore sur le générateur électrique qui alimente celui-ci (l'ensemble constitué du ou des moteurs électriques, et de leurs moyens d'alimentation électrique, étant appelé ici le système électrique). Pour pallier à une telle éventualité, comme le présente le brevet français FR0209028, il est prévu en secours du système électrique, comme moyen d'assistance, une turbine à air. Le système d'entraînement comporte ainsi une turbine à air, susceptible d'être alimentée par un débit d'air prélevé dans un compresseur dudit turbomoteur afin d'entraîner ledit accessoire. Pour pouvoir mettre en oeuvre cette turbine à air, ce système d'entraînement comporte une vanne 'tout ou rien' disposée sur la ligne d'alimentation en air en amont de la turbine. L'ouverture de cette vanne permet de faire tourner la turbine, sous réserve d'une pression d'alimentation en air suffisante, et ainsi de faire tourner la pompe à carburant. Toutefois, lors d'une panne du système électrique, c'est la turbine à air seule qui entraine la pompe à carburant. Or, aucun moyen n'est prévu pour commander le régime de la turbine à air ; pour cette raison, dans ces circonstances la turbine à air, et par conséquent la pompe à carburant, ne sont donc plus contrôlées, ce qui peut poser problème pour la conduite de l'engin volant.
Plus généralement, la présente invention concerne un système d'entraînement d'une pompe à carburant dans un turbomoteur, ledit système comportant un moteur électrique, et un moyen d'assistance fluidique commandé par une vanne de commande. Le moyen d'assistance fluidique est un moyen moteur supplémentaire à énergie fluidique (pneumatique ou hydraulique), pouvant assister et/ou remplacer le ou les moteur(s) électrique(s) pour entraîner la pompe. Le but de cette invention est de remédier au problème évoqué précédemment, par des moyens simples, en améliorant le fonctionnement du système d'entraînement de la pompe à carburant de manière à augmenter la sécurité de fonctionnement du turbomoteur en cas de défaillance du système électrique. Ce but est atteint grâce au fait que selon l'invention, la vanne de commande est une valve de régulation dont l'ouverture est régulée en fonction d'une information représentative de la vitesse de rotation de la pompe et/ou d'un arbre du turbomoteur, et/ou du débit de carburant fourni au turbomoteur. En effet, de manière connue, pour pouvoir piloter le fonctionnement d'un turbomoteur il est nécessaire de pouvoir commander notamment le débit de carburant fourni au turbomoteur.
La manière dont on va pouvoir commander ce débit, dans le système d'entrainement selon l'invention, dépend de l'information disponible pour la régulation. Lorsque l'information utilisée pour la régulation est une information représentative de la vitesse de rotation de la pompe, on régule l'alimentation en fluide du moyen d'assistance pour amener la vitesse de rotation de la pompe à carburant à la vitesse de rotation souhaitée, elle-même déterminée en fonction du régime du turbomoteur visé. Lorsque l'information utilisée pour la régulation est une information représentative de la vitesse de rotation d'un arbre du moteur, on détermine d'abord en fonction de cette vitesse, un débit de carburant qui est jugé approprié pour obtenir le régime de fonctionnement visé du turbomoteur ; on régule alors l'alimentation en fluide du moyen d'assistance pour amener la vitesse de rotation de la pompe à carburant à la vitesse de rotation qui fournit le débit de carburant déterminé précédemment au turbomoteur.
Lorsque l'information utilisée pour la régulation du turbomoteur est le débit du carburant fourni au moteur, on régule alors l'alimentation en fluide du moyen d'assistance pour amener la vitesse de rotation de la pompe à carburant à la vitesse de rotation qui fournit le débit visé.
Ainsi, finalement la régulation de l'alimentation en fluide du moyen d'assistance permet de conduire au régime de fonctionnement visé du turbomoteur. On notera que les trois variables utilisées comme donnée de base pour cette régulation se correspondent et sont représentatives, à des degrés divers, du régime moteur, qui est la grandeur que l'on cherche à réguler : La vitesse d'un arbre du turbomoteur est directement représentative de ce régime ; le débit de carburant fourni au turbomoteur est une grandeur très bien corrélée avec le régime moteur ; enfin, remontant encore davantage en amont dans le système d'alimentation en carburant, la vitesse de rotation de la pompe à carburant reste un indicateur étroitement corrélé avec le régime moteur. Cette solution a l'avantage d'une grande simplicité technique puisque la régulation du débit en carburant délivré par la pompe peut se faire par une simple vanne de régulation, et sur la base d'une ou plusieurs informations habituellement disponibles sur un engin volant, qui sont lesdites informations représentatives de la vitesse de rotation de la pompe et/ou du turbomoteur, et/ou du débit de carburant fourni au turbomoteur. Avantageusement, le moyen d'assistance fluidique est une turbine à air ou un autre actionneur pneumatique ou hydraulique, susceptible d'être mis en oeuvre en cas de défaillance du système électrique. En particulier, dans le cas où le moyen d'assistance est une turbine à air, on peut réguler la turbine à air en modulant son débit d'alimentation en air par une vanne de régulation comme une valve papillon. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 montre un schéma de principe d'un turbomoteur de type "tout électrique" comportant un système d'entraînement de la pompe à carburant conforme à l'invention.
En faisant référence à cette figure, un turbomoteur 10 d'axe X qui comporte un système d'entrainement de la pompe à carburant 13 selon l'invention va maintenant être présenté. Ce turbomoteur 10 "tout électrique" comporte une chambre de combustion 11 alimentée en air par un compresseur 12 et en carburant par une pompe à carburant 13. Les gaz chauds issus de la chambre de combustion 11 entraînent une turbine 14 reliée au compresseur 12 par un arbre 15. Le turbomoteur 10 est en outre équipé d'un démarreur-générateur intégré 16 d'axe X disposé au niveau des zones froides du compresseur 12. La référence 17 désigne le réservoir de carburant relié à la pompe 13 par un conduit 18. La pompe à carburant 13 est entraînée par un système d'entraînement 20 qui comporte d'une part un moteur électrique 21 et une turbine à air 22 de préférence coaxiale au moteur électrique 21 et dont la tubulure d'entrée 23 est reliée au compresseur 12 par un conduit de prélèvement d'air 24 dans lequel est interposée une vanne de régulation 25 à deux voies, ce conduit constituant l'alimentation en fluide du moyen d'assistance fluidique, ici la turbine à air. La pompe à carburant alimente le turbomoteur par une 20 conduite comportant un débitmètre 40 qui mesure le débit de carburant fourni au turbomoteur. Avantageusement, la vanne de régulation 25 est régulée par une unité électronique de commande 30 (ou 'Fadec'), qui reçoit et traite l'information représentative de la vitesse de la pompe 13 ou de celle d'un 25 arbre du turbomoteur 10, ou du débit de carburant fourni au turbomoteur, comme indiqué précédemment. Le système d'entraînement 20 fonctionne de la manière suivante : Lors de la phase du démarrage du turbomoteur 10, la vanne de 30 réglage 25 est dans la position fermée. Le démarreur-générateur 16 est dans la configuration démarreur et alimenté en courant par un groupe auxiliaire de puissance, non montré sur le dessin. Le moteur électrique 21 est également alimenté en courant par le groupe auxiliaire de puissance au cours de la phase de démarrage. Le rotor du turbomoteur 10 se met à 35 tourner au régime d'allumage et la chambre de combustion 11 est alimentée en air par le compresseur 12. Le carburant est alors injecté dans la chambre de combustion 11 au moyen de la pompe à carburant 13 entraînée par le moteur électrique 21 sous le contrôle de l'unité de commande électronique 30. Dès l'allumage effectué, le démarreur-générateur 16 est mis dans la configuration générateur de courant. Dès que le régime de ralenti est atteint, le générateur 16 fournit assez d'énergie électrique pour alimenter le moteur électrique 21 d'entraînement de la pompe à carburant 13 et les moteurs électriques d'entraînement des autres accessoires, de façon à maintenir le turbomoteur 10 en régime autonome, sans l'aide du groupe auxiliaire de puissance.
La vanne de réglage 25 du débit d'air prélevé au compresseur 12, pilotée par l'unité de commande électronique 30, est alors ouverte pour que la turbine à air 22 fournisse un appoint d'entraînement mécanique à la pompe à carburant 13 dans tous les domaines de vol. Ainsi, à partir de ce moment, la turbine à air est mise en oeuvre en 15 même temps que le moteur électrique pour entraîner la pompe à carburant. Cela étant, avantageusement la turbine à air est apte à entraîner la pompe à carburant en cas d'absence d'alimentation électrique ou de défaillance dudit moteur électrique (21). 20 En d'autres termes, la turbine à air 22 est dimensionnée de telle manière qu'en cas de panne électrique du générateur 16 ou du moteur électrique 21, elle soit capable de fournir en secours, seule, suffisamment de puissance pour entraîner la pompe à carburant 13, afin de permettre à l'avion ou à l'engin volant équipé du turbomoteur 10 de continuer son vol 25 ou de rentrer à sa base, même à basse vitesse. Pour permettre un tel mode de fonctionnement dégradé, le système d'entrainement 20 comporte en outre une liaison 34 permettant à l'unité de contrôle électronique 30 de détecter la panne du moteur électrique, par exemple en mesurant la vitesse de l'arbre de sortie du 30 moteur électrique. L'unité de commande électronique 30 comporte en outre des liaisons 36, 38 et 42, via lesquelles elle reçoit des informations représentatives respectivement de la vitesse de rotation de la pompe ou d'un arbre du turbomoteur 10, ou du débitmètre 40. Grâce à ces 35 informations, l'unité de commande électronique 30 élabore le signal de commande de la vanne de régulation 25, comme cela a été indiqué précédemment, en particulier en cas de panne du moteur électrique 21 ou du générateur électrique 16. Ce signal peut alors être communiqué à la vanne de régulation 25 via une liaison 32. Dans le système présenté sur la figure 1, avantageusement, les trois informations de vitesse de rotation d'un arbre du moteur, de vitesse de rotation de la pompe, et de débit de carburant fourni au turbomoteur, sont mesurées et transmises à l'unité de commande électronique 30, pour lui permettre d'élaborer le signal de commande de la valve de régulation 25.
De manière plus générale, il suffit de disposer d'une ou de deux quelconques de ces informations pour pouvoir élaborer un signal de commande efficace. Enfin, pendant les phases de décollage, voire de montée, de l'engin volant équipé du turbomoteur, la puissance hydraulique consommée par la pompe peut être de deux à trois fois plus importante que dans les autres régimes de vol. Avantageusement, l'appoint de puissance fourni par le moyen d'assistance fluidique pour l'entrainement de la pompe à carburant est prépondérant pendant ces phases de vol. Ainsi, le moteur électrique peut conserver des dimensions relativement modestes, une grande partie de la puissance étant fournie par le moyen d'assistance fluidique. Il s'ensuit un allègement du système d'entraînement de la pompe à carburant. On pourra en particulier, avoir un moteur électrique dont la puissance maximale reste inférieure à celle consommée par la pompe, voire inférieure de 50% à celle-ci. Dans ce dernier cas notamment, le moteur électrique n'est pas capable seul d'entrainer la pompe à carburant pendant la phase de décollage, qui nécessite donc dans tous les cas l'assistance du moyen d'assistance fluidique ; en d'autres termes, les puissances cumulées du moteur électrique et du moyen d'assistance fluidique sont requises simultanément pendant les phases de décollage.

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Système d'entraînement d'une pompe à carburant (13) dans un turbomoteur (10), ledit système comportant un moteur électrique (21), et un moyen d'assistance fluidique (22) commandé par une vanne de commande (25), caractérisé en ce que la vanne de commande (25) est une valve de régulation, dont l'ouverture est régulée en fonction d'une information représentative de la vitesse de rotation de la pompe et/ou d'un arbre du turbomoteur (10), et/ou du débit de carburant fourni au turbomoteur.
2. Système d'entraînement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'assistance est une turbine à air (22).
3. Système d'entraînement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la vanne de régulation (25) est régulée par une unité électronique de commande (30), qui reçoit et traite ladite information représentative.
4. Système d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la turbine à air (22) peut être mise en oeuvre en même temps que le moteur électrique (21) pour entraîner la pompe à carburant (13).
5. Système d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la turbine à air (22) est apte à entraîner la pompe à carburant (13) en cas d'absence d'alimentation électrique ou de défaillance dudit moteur électrique (21).
6. Système d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite vanne de régulation (25) est située sur l'alimentation en fluide (24) de la turbine à air (22).
7. Système d'entraînement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les puissances cumulées du moteur électrique et du moyen d'assistance fluidique sont requises simultanément pendant les phases de décollage et/ou de montée.
8. Turbomoteur muni d'un système d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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