Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
1
Procédé de commande d'une section de tuyère variable d'un aéronef
L'invention se rapporte à un procédé de commande d'une section de tuyère
variable d'une nacelle de turboréacteur.
Un avion est mu par plusieurs turboréacteurs logés chacun dans une nacelle
abritant également un ensemble de dispositifs d'actionnement annexes liés à
son
fonctionnement et assurant diverses fonctions lorsque le turboréacteur est en
fonctionnement ou à l'arrêt.
Une nacelle présente généralement une structure tubulaire comprenant une
entrée d'air en amont du turboréacteur, une section médiane destinée à
entourer une
soufflante du turboréacteur, une section aval abritant des moyens d'inversion
de
poussée et destinée à entourer la chambre de combustion du turboréacteur, 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 (également appelé flux primaire) issu de la chambre de combustion du
turboréacteur, 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.
Le rôle d'un inverseur de poussée est, lors de l'atterrissage d'un avion,
d'améliorer la capacité de freinage de celui-ci en redirigeant vers l'avant au
moins une
partie de la poussée générée par le turboréacteur.
Dans cette phase, l'inverseur obstrue la veine du flux froid et dirige ce
dernier
vers l'avant de la nacelle, générant de ce fait une contre-poussée qui vient
s'ajouter au
freinage des roues de l'avion.
Les moyens mis en oeuvre pour réaliser cette réorientation du flux froid
varient
suivant le type d'inverseur.
On peut citer notamment des inverseurs de poussée à grilles comprenant,
classiquement, un capot d'inversion de poussée associé à des grilles de
déviation de
flux découvertes par des volets d'inversion de poussée déplaçables par un
mouvement de capot.
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
2
Outre sa fonction d'inversion de poussée, le capot mobile appartient à la
section arrière et présente un côté aval formant une tuyère d'éjection visant
à
canaliser l'éjection des flux d'air.
Cette tuyère peut venir en complément d'une tuyère primaire canalisant le flux
chaud et est alors appelée tuyère secondaire.
Cette tuyère peut être mobile par rapport à la nacelle de manière à régler la
section d'éjection de la veine de flux d'air froid, en fonction de la position
de ladite
tuyère.
La tuyère mobile est également appelée structure mobile de réglage de la
section de sortie de la veine.
La section optimale de la tuyère peut être adaptée en fonction des différentes
phases de vol, à savoir les phases de décollage, de montée, de croisière, de
descente
et d'atterrissage de l'aéronef.
Elle est associée à un système d'actionnement permettant de faire varier et
d'optimiser sa section, en fonction de la phase de vol dans laquelle se trouve
l'aéronef.
Il existe plusieurs solutions pour réaliser la variation de section de la
tuyère,
selon le mode de réalisation de nacelle à envisager et les systèmes
d'actionnement
prévus.
Ainsi, la tuyère mobile peut être entrainée en translation selon une direction
sensiblement longitudinale de la nacelle ou en pivotement autour d'un axe
perpendiculaire à l'axe longitudinal de la nacelle, par un actionneur dédié ou
non et
indépendamment ou non d'une translation partielle du capot d'inverseur de
poussée.
De tels déplacements de la tuyère en fonction des différentes phases de vol
nécessitent des procédés de commande de la position de la tuyère c'est-à-dire
des
procédés de commande des actionneurs associés aux déplacements de la tuyère.
On connait, ainsi, des procédés de commande et systèmes de commande
associés permettant de faire varier, de façon discrète, entres différentes
positions
prédéterminées la position de la tuyère lors des différentes phases de vol.
Dans ce cadre, dans la mesure où les différentes positions prédéterminées de
la tuyère sont espacées, la consommation de carburant est excessive et le
fonctionnement du moteur n'est pas optimal.
De plus, si l'on prévoit de définir des positions pour la tuyère plus
rapprochées,
les passages de l'une à l'autre des positions deviennent fréquents, ce qui
peut affecter
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
3
l'usure du système de commande et des moyens d'actionnement et par conséquent,
leur fiabilité.
Dès lors, dans une phase de croisière de l'aéronef, on prévoit des positions
prédéterminées pour la tuyère qui ne sont souvent pas adaptées à l'altitude à
laquelle
vol l'aéronef, cette altitude pouvant être modifiée en cours de croisière par
l'allègement de l'avion suite à la diminution des réserves en carburant.
Pour optimiser le fonctionnement du moteur, on connait, par ailleurs, des
procédés de commande et systèmes de commande et d'actionnement associés
permettant de faire varier, de façon continue, la position de la tuyère lors
des
différentes phases de vol.
Or, ceci implique un fonctionnement permanent du système de commande et
des actionneurs associés pour placer la tuyère dans une position déterminée,
ce qui
affecte toujours fortement la fiabilité de ces éléments au fur et a mesure des
cycles de
vol.
Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients susmentionnés.
Un autre but de l'invention est de proposer une solution alternative de
procédé
de commande pour définir une loi de changement de position de la tuyère
permettant
de faire varier la section de sortie de la veine de flux froid.
Il est également désirable de proposer un procédé de commande de position
de la tuyère permettant d'optimiser la consommation de carburant, à chaque
phase de
vol de l'aéronef.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de
commande de position de la tuyère permettant d'optimiser les phases de
croisière,
quelque soit les conditions de vol.
Il est également désirable de maîtriser l'usure du système de commande et
d'actionnement qui entraîne le changement en position de la tuyère durant un
vol.
A cet effet, l'invention propose un procédé de commande d'une position de
tuyère de section variable d'un aéronef dans lequel, à partir d'une position
P(t0) de la
tuyère déterminée à un temps to:
A) on détermine, à chaque instant t, avec 1 < i < N, une position
optimale P(t) de la tuyère ;
B) on mesure un intervalle de temps Ati défini comme la différence
entre t et to et,
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
4
C) on autorise le déplacement de la tuyère dans une position
correspondant à la position optimale P(ti) lorsque l'intervalle de temps
Ati est strictement supérieur à un seuil minimal prédéterminé.
Avantageusement, au cours de l'étape B), à chaque instant t,, on mesure
également un écart de position .8.P entre P(t) et P(t0) et, au cours de
l'étape C), on
autorise le déplacement de la tuyère dans une position correspondant à la
position
optimale P(t) lorsque la valeur absolue de l'écart de position AP est
strictement
supérieure à un seuil minimal prédéterminé et strictement inférieure à un
seuil
maximal prédéterminé.
Avantageusement, au cours de l'étape B), à chaque instant t,, on mesure un
écart de position AP entre P(t) et P (to) et,
D) dans une phase de vol déterminée, lorsque la valeur absolue de l'écart de
position
.8.P est supérieure ou égale à un seuil maximal prédéterminé, on désactive
l'étape C)
et,
E) on déplace la tuyère dans une position P(t) égale à une position maximale
prédéterminée Pmax.
Avantageusement, le procédé prévoit que le seuil minimal d'intervalle de temps
et/ou le seuil maximal d'écart en position varient en fonction d'une grandeur
caractéristique du vol telle que l'altitude de l'aéronef.
Avantageusement, le procédé prévoit que le seuil minimal d'intervalle de temps
en phase de montée de l'aéronef est supérieur au seuil minimal d'intervalle de
temps
en phase de croisière de l'aéronef.
Avantageusement, on active C) si et seulement si l'altitude de l'aéronef, à
l'instant ti, est strictement supérieure à une altitude seuil prédéterminée.
Avantageusement, lorsque l'altitude de l'aéronef, à l'instant t, est
inférieure ou
égale à une altitude seuil prédéterminée, on déplace la tuyère dans une
position P(t)
égale à une position P de section de sortie maximale de la tuyère.
Avantageusement, au cours de l'étape A, on détermine la position optimale
P(t) de la tuyère en fonction de grandeurs caractéristiques du vol tels que
l'altitude, la
vitesse de l'aéronef et/ou et le régime moteur d'un turboréacteur de
l'aéronef.
Avantageusement, le procédé prévoit, au cours de l'étape A, qu'on détermine
la position optimale P(t) de la tuyère par mesure, estimation ou calcul.
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit
en
référence aux dessins annexés sur lesquels :
5 - la
figure 1 est une représentation schématique en perspective d'une nacelle
équipée d'une section de tuyère mobile ;
- la figure 2 représente un logigramme d'un procédé de commande en
position de la tuyère de la figure 1, selon un mode de réalisation de la
présente invention ;
- la figure 3 est une représentation graphique comparant la position de la
tuyère déterminée par le procédé de commande en position de la tuyère,
selon un mode de réalisation de la présente invention et par un procédé
de commande de l'art antérieur, durant un cycle de vol.
En référence à la figure 1, une nacelle 1 est destinée à constituer un
logement
tubulaire pour un turboréacteur (non représenté) double flux à grand taux de
dilution et
sert à canaliser les flux d'air qu'il génère par l'intermédiaire des pâles
d'une soufflante,
à savoir un flux d'air chaud traversant une chambre de combustion du
turboréacteur,
et un flux d'air froid circulant à l'extérieur du turboréacteur.
Cette nacelle 1 possède de manière générale une structure comprenant une
section avant formant une entrée d'air la, une section médiane lb entourant la
soufflante du turboréacteur, et une section aval lc entourant le
turboréacteur.
La section aval 1 c comprend une structure externe 2 comportant
éventuellement un système d'inversion de poussée et une structure interne de
carénage du moteur définissant avec la surface externe une veine destinée à la
circulation du flux froid, dans le cas d'une nacelle de turboréacteur double
flux tel qu'ici
discutée.
Comme décrit précédemment, la section aval est équipée du dispositif
d'inversion de poussée 10 comprenant un cadre avant 11, un capot mobile
d'inverseur
de poussée 12, et une tuyère 13 de section variable.
Dans un mode de réalisation non limitatif d'un dispositif d'inversion de
poussée
à grilles, le capot mobile 12 est apte à être actionné selon une direction
sensiblement
longitudinale de la nacelle entre, notamment mais non exclusivement, une
position de
fermeture dans laquelle il vient au contact du cadre avant 11 et assure la
continuité
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
6
aérodynamique des lignes de la section aval et recouvre des grilles de
déviation 14, et
une position d'ouverture dans laquelle il est écarté du cadre avant 11,
dévoilant ainsi
un passage dans la nacelle et découvrant des grilles de déviation 14 . Cette
dernière
position est illustrée sur la figure 1.
Lors de son ouverture, le capot mobile peut entraîner en rotation un volet
(non
visible sur la figure) par l'intermédiaire d'une bielle fixée dans la
structure interne de
carénage, ledit volet venant obturer moins partiellement la veine de manière à
optimiser l'inversion du flux d'air.
Selon le mode de réalisation d'inverseur de poussée à grilles choisi, les
grilles
de déviation14 peuvent prendre toute forme connue. Elles peuvent, ainsi, être
fixes
ou mobiles en translation ou en rotation. Elles peuvent, plus
particulièrement, être
mobiles en translation entre une position rétractée au sein de la structure
médiane et
une position déployée dans laquelle elles s'étendent en aval de la section
médiane au
niveau de la section aval en phase de jet inversé. En alternative, elles
peuvent être
mobiles en translation entre une position empilées radialement ou alignées
longitudinalement.
Par ailleurs, le capot mobile 12 est prolongé par au moins la section de
tuyère
13 montée à une extrémité aval dudit capot mobile.
La tuyère 13 est mobile et elle est également appelée structure mobile de
réglage de la section de sortie de la veine de flux d'air froid.
La section optimale de la tuyère 13 peut être adaptée en fonction des
différentes phases de vol à savoir les phases de décollage, de montée, de
croisière,
de descente et d'atterrissage de l'aéronef.
Cette tuyère 13 est associée à un système de commande et d'actionnement 20
permettant de commander et entraîner en déplacement la tuyère 13 d'une
distance
nécessaire selon une commande donnée, pour obtenir une section de sortie
souhaitée
de la veine de flux d'air froid.
Ce système de commande et d'actionnement 20 permet de faire varier et
d'optimiser la section de la tuyère en fonction de la phase de vol dans
laquelle se
trouve l'aéronef.
Ce système de commande et d'actionnement 20 peut prendre toute forme
connue.
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
7
Ainsi, selon le mode de réalisation de l'inverseur de poussée connu, les
moyens d'actionnement peuvent être des moyens d'entrainement en translation ou
en
rotation de la tuyère de sorte de réaliser la variation de section de la
tuyère.
La variation de la section de tuyère 13 qui illustre la variation de section
de la
veine de flux d'air froid est effectuée par le passage de la tuyère 13 d'une
position à
une autre de section différente grâce à un déplacement longitudinal de la
tuyère 13
et/ou du capot 12 d'inversion le long de l'axe longitudinal de la nacelle ou
par un
déplacement angulaire de la tuyère 13 vers l'intérieur et/ou l'extérieur de la
veine.
Dans une variante de réalisation de la nacelle, la tuyère est formée de volets
aval pivotants montés à une extrémité aval du capot d'inversion dont le
pivotement
vers l'intérieur ou l'extérieur de la veine se traduit par une augmentation ou
une
réduction de la section de sortie de la veine.
Dans une autre variante de réalisation, la tuyère est formée de panneaux
montés mobiles en translation à l'intérieur du capot mobile de manière
télescopique et
dont le recul en aval de la nacelle ou la rétractation entraîne l'augmentation
ou la
réduction de section de sortie de la veine.
Dans une autre variante de réalisation, la tuyère est formée par l'extrémité
aval
du capot et la coopération de la forme conique de la structure interne de la
nacelle et
du capot d'inversion mobile en translation entre l'amont et l'aval de la
nacelle entraîne
l'augmentation ou la réduction de section de sortie de la veine.
Ces variantes de réalisation ne sont pas limitatives et tout autre variante de
réalisation de tuyère variable permettant une augmentation et/ ou une
réduction de
section de sortie de la veine peut être envisagées dans le cadre du procédé de
commande selon la présente invention.
En effet, quelque soit le système de commande et d'actionnement choisi et la
variante de réalisation de tuyère variable choisie, ce système de commande et
d'actionnement implique la présence d'un procédé de commande en position de la
tuyère, contrôlé par une unité électronique de commande.
En référence à la figure 2, le logigramme d'un procédé de commande en
position de la tuyère c'est-à-dire de la variation de section de sortie de la
tuyère, selon
la présente invention est représenté.
En premier lieu, à une étape préliminaire 100, la tuyère se trouve dans une
position P(t0) déterminée à un temps to
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
8
De façon non limitative, cette position peut être une position de section de
tuyère maximale, minimale ou intermédiaire.
Selon l'invention, le procédé de commande en position de la tuyère prévoit les
étapes suivantes :
A) on détermine, à chaque instant t, avec 1 < i < N, une position
optimale P(t) de la tuyère ;
B) on mesure un intervalle de temps Ati défini comme la différence
entre t et to et,
C) on autorise le déplacement de la tuyère dans une position
correspondant à la position optimale P(t) lorsque l'intervalle de temps
At, est strictement supérieur à un seuil T minimal prédéterminé.
Ainsi, avantageusement, on définit un système de tuyère variable pouvant se
positionner à toutes les positions possibles pour la tuyère sans restriction
mais pour
lesquels chaque position de la tuyère est maintenue pendant une durée
supérieure à
un seuil T prédéterminé.
Plus particulièrement, au cours de l'étape A, on détermine, en temps réel, une
consigne en position optimale P(t) de la tuyère par mesure, estimation,
cartographie
ou calcul.
Cette détermination de la position optimale P(t) de la tuyère, pour un instant
t,
du vol, peut être faite par tout procédé connu, de façon non limitative.
Selon la variante de réalisation choisie, on détermine la position optimale
P(t)
de la tuyère en fonction de grandeurs caractéristiques du vol telles que
l'altitude, la
vitesse de l'aéronef et/ou le régime moteur du turboréacteur de l'aéronef.
Ces grandeurs peuvent être mesurées par des capteurs adaptés, estimées par
cartographie ou autre ou calculées.
Par ailleurs, dans une étape 101 préalable à l'étape B), on détermine le seuil
T
minimal d'intervalle de temps.
Ce dernier peut être fixe pour l'ensemble du vol ou varier en fonction d'une
grandeur caractéristique du vol.
De préférence, cette grandeur caractéristique est une phase particulière du
vol
et /ou l'altitude à laquelle se trouve l'aéronef.
Dès lors, on prévoit une étape dans laquelle on détermine la valeur du seuil T
minimal d'intervalle de temps en fonction d'une grandeur caractéristique du
vol.
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
9
Dans cette étape, on peut prévoir de modifier la valeur du seuil T minimal
d'intervalle de temps lorsque l'altitude de l'aéronef dépasse une valeur seuil
minimale.
De préférence, lorsque l'altitude de l'aéronef dépasse cette valeur seuil, la
valeur du seuil T minimal d'intervalle de temps est augmentée.
Dans une variante de réalisation non exclusive des précédentes, on peut
prévoir que le seuil T minimal d'intervalle de temps en phase de décollage
et/ou de
montée de l'aéronef soit inférieur au seuil T minimal d'intervalle de temps en
phase de
croisière de l'aéronef, les paramètres influençant le changement de position
étant
susceptibles de varier plus rapidement dans ces phases du vol.
Ceci offre l'avantage de maximiser le nombre de changement de position de la
tuyère notamment pendant les phases de décollage et de montée de l'aéronef et
de
réduire le nombre de changement de position de la tuyère en phases de
croisière de
l'aéronef ou les conditions de vol changent peu.
Par ailleurs, au cours de l'étape B), on peut prévoir une étape intermédiaire
102, à chaque instant t, dans laquelle on mesure un écart de position AP entre
P(t) et
P (t0).
Au cours de l'étape C), dans une étape 103, on autorise le déplacement de la
tuyère dans une position correspondant à la position optimale P(t) lorsque la
valeur
absolue de l'écart de position AP est strictement supérieure à un seuil
minimal Fmin
prédéterminé et strictement inférieure à un seuil maximal Fmax prédéterminé.
On permet ainsi à la tuyère d'être déplacée si l'amplitude de changement de
position déterminé a dépassé un certain seuil minimal Fmin prédéterminé.
Avantageusement, ainsi, on évite tout changement intempestif de position de la
tuyère pendant les phases de vol et, notamment, pendant les phases de
croisière
dans lesquelles les conditions de vol sont peu modifiées.
On réduit les risques d'usure du système de commande et d'actionnement
associé aux déplacements de la tuyère.
Par ailleurs, lorsque la valeur absolue de l'écart de position AP est
supérieure
ou égal seuil maximal Fmax prédéterminé, on réalise l'étape D) suivante, à
savoir on
désactive l'étape C) c'est-à-dire qu'on supprime le seuil temporel entre deux
changements de position de la section de sortie de tuyère et,
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
E) on déplace la tuyère dans une position P(t) égale à une position maximale
prédéterminée Pmax.
Ce cas illustre un cas d'une variation rapide du régime moteur nécessitant un
changement rapide de position de la section de sortie de la tuyère, comme, par
5 exemple et de façon non limitative, une phase de remise des gaz.
Il est à noter que le seuil maximal Fmax d'écart en position peut être fixe
durant un vol ou varier varient en fonction d'une grandeur caractéristique du
vol telle
que l'altitude de l'aéronef.
Par ailleurs, dans un mode de réalisation du procédé de commande, on prévoit
10
d'activer l'étape C) si et seulement si l'altitude de l'aéronef, à l'instant
t,, est strictement
supérieure à une altitude seuil S prédéterminée.
Dans le cas contraire, on réalise une étape (non illustrée) dans laquelle on
déplace la tuyère dans une position P(t) égale à une position P de section de
sortie
maximale de la tuyère compatible du domaine de vol à basse altitude de
l'avion.
De préférence, cette étape a lieu durant les phases de vol proche du sol ou au
sol.
Sur la figure 3, on compare, dans une représentation graphique, les
différentes
positions de la tuyère de section variable déterminées, pendant un vol donné,
d'une
durée donnée, par le procédé de commande selon l'invention (courbe à points
ronds),
par un procédé de commande de l'art antérieur (courbe à points triangulaires)
qui
commande la tuyère entre plusieurs positions discrètes prédéterminées durant
le vol
et par un procédé de commande définissant à chaque instant la position
optimale de
la tuyère (courbe lisse).
Ces représentations graphiques sont superposées à un graphique définissant
l'altitude de l'aéronef en ordonnées en fonction du temps de vol en abscisses.
Les conditions expérimentales pour ces représentations graphiques sont les
suivantes :
- On suppose que l'amplitude de variation de la section de sortie de la
tuyère
est de -5%/-F15% avec pour référence la position de croisière nominale ;
- T a une valeur de 4 minutes et Fmin a une valeur de 0.5%.
Sur ces graphiques, on observe qu'avec un procédé de commande
commandant un positionnement de la tuyère en un nombre discret de positions,
en
CA 02877836 2014-12-23
WO 2014/006303 PCT/FR2013/051498
11
phase de croisière (représentée par deux paliers à deux altitudes
différentes), la
tuyère n'est pas positionnée à sa position optimale.
Au contraire, avec un procédé de commande selon l'invention, la tuyère est
observée à une position de fonctionnement optimal du turboréacteur en
croisière et
pour la totalité du vol.
Ainsi, par rapport aux procédés de commande de l'art antérieur, l'homme de
l'art appréciera, avec un procédé de commande selon l'invention, un procédé
permettant pour une phase de croisière donnée, d'optimiser la position de la
tuyère
pour qu'elle corresponde à celle pour laquelle la consommation de carburant
est
optimale.
En effet, le procédé de commande selon l'invention permet, avantageusement,
d'optimiser les phases de croisière de l'aéronef par des variations faibles de
la position
de la tuyère.
Ainsi, sur un avion long courrier, le procédé de commande selon l'invention,
permet de définir une position optimale de la tuyère quelque soit la phase de
croisière
et l'altitude à laquelle elle se réalise.
Le procédé de commande selon l'invention permet, en outre, de limiter l'usure
du système de commande et d'actionnement associé au procédé selon l'invention
En
effet, on peut déterminer et maitriser le nombre de cycles de fonctionnement
du
système de commande et d'actionnement pendant un vol d'une durée donnée car ce
nombre de cycles est majoré par le temps de vol divisé par le seuil T minimal
autorisé
entre deux changements de position de la tuyère.
Bien évidemment, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation
de cette nacelle, décrites ci-dessus à titre d'exemples, mais elle embrasse au
contraire
toutes les variantes. C'est ainsi notamment que la tuyère mobile pourrait être
associée
à une nacelle lisse et non à une nacelle 5 équipée d'un inverseur de poussée.
