FR3143546A1 - Synchrophasage d’helices pour un aeronef - Google Patents
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Abstract
Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef comportant au moins deux hélices (12a, 12b), au moins deux machines électriques (2a, 2b) pour entraîner en rotation les hélices, au moins deux modules de commande en vitesse (3a, 3b) pour commander les machines électriques, de manière à asservir en vitesse les hélices, le dispositif de synchrophasage comportant - des capteurs de mesure (20) d’un déphasage entre les hélices, - un organe de coordination centrale (14) configuré pour recevoir une consigne de déphasage, pour calculer une différence entre la mesure de déphasage et la consigne de déphasage, pour déterminer une consigne de vitesse pour les hélices à partir de la différence calculée et pour transmettre la consigne de vitesse aux modules de commande en vitesse des machines électriques, les modules de commande en vitesse (3a, 3b) étant configurés pour commander la vitesse des hélices en fonction de la consigne de vitesse. Figure pour l’abrégé : 2
Description
La présente invention concerne le domaine des turbomachines et a plus précisément pour objet un dispositif de synchrophasage entre hélices d’un aéronef comportant une turbomachine intégrant une machine électrique ainsi qu’un procédé de synchrophasage et un aéronef comprenant un tel dispositif.
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.
Le document FR 3 116 303, déposé au nom de Safran Helicopter Engines, décrit la possibilité d’équiper un aéronef avec une turbomachine, telle qu’un turbopropulseur, intégrant à la fois une turbine à gaz dans une partie thermique et une machine électrique tournante dans une partie électrique. La partie thermique et la partie électrique permettent un fonctionnement hybride de la turbomachine. La machine électrique tournante permet à la fois d’offrir une fonction de génération d’électricité, en mode génératrice, pour alimenter l’aéronef en électricité, et une fonction de propulsion dans le cadre de déplacements au sol de l’aéronef, notamment les déplacements de type taxiage.
Afin d’assurer l’acceptabilité de l’entrée sur le marché des nouveaux aéronefs à propulsion électrique distribuée ou à propulsion hybride électrique distribuée, dans le cas d’un turbopropulseur comportant au moins deux hélices, une fonction indispensable est le synchrophasage entre hélices permettant un contrôle actif du bruit du turbopropulseur.
En effet, il est indispensable que ce type d’aéronef ait une signature sonore d’amplitude au maximum égale aux turbopropulseurs purement thermiques. Une réduction significative du bruit, d’environ 25dB pour un niveau sonore habituel ressenti à l’intérieur de l’avion pouvant aller de 85 à 100dB, est recherchée par rapport aux turbopropulseurs actuels.
Des méthodes de synchrophasage conventionnelles régulent la vitesse des hélices via leur système de régulation, comme décrit par exemple dans EP3626628. Dans ce document, des capteurs détectent un niveau de vibration associé à un premier moteur d'aéronef et un second moteur d'aéronef. Une augmentation momentanée de la vitesse de fonctionnement du second moteur d'avion est commandée en fonction du niveau de vibration détecté.
Les meilleures performances en termes de synchrophasage d’hélices aujourd’hui atteintes correspondent à des erreurs d’au moins 1° entre la position de deux hélices.
Par ailleurs, les systèmes de propulsion électrique ou hybride thermique/électrique se développent et il est souhaité que les aéronefs ainsi équipés soient plus silencieux que les aéronefs purement thermiques, aussi bien pour le voisinage que pour les passagers.
Le problème technique à résoudre est l’amélioration de la précision du synchrophasage entre hélices, dans le cas d’un aéronef à propulsion électrique ou hybride thermique/électrique.
L’invention vise à résoudre les problèmes susmentionnés de la technique antérieure en fournissant un dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef, l’aéronef comportant au moins deux hélices, au moins deux machines électriques aptes à entraîner en rotation les au moins deux hélices, respectivement, au moins deux modules de commande en vitesse aptes à commander les au moins deux machines électriques, respectivement, de manière à asservir en vitesse les au moins deux hélices, respectivement,
le dispositif de synchrophasage comportant
- des capteurs de mesure d’un déphasage entre les au moins deux hélices,
- un organe de coordination centrale configuré pour recevoir une consigne de déphasage, pour calculer une différence entre la mesure de déphasage et la consigne de déphasage, pour déterminer une consigne de vitesse pour les au moins deux hélices, respectivement, à partir de la différence calculée, la consigne de vitesse permettant de minimiser ladite différence, et pour transmettre la consigne de vitesse aux au moins deux modules de commande en vitesse des au moins deux machines électriques, respectivement,
les au moins deux modules de commande en vitesse étant configurés pour commander la vitesse des au moins deux hélices en fonction de la consigne de vitesse, respectivement.
Grâce à l’invention, il est possible de garantir une précision de synchrophasage d’hélices inférieure à 0.5° en vol calme, c’est-à-dire en cas de perturbation de couple aérodynamique sur chaque hélice d’environ 1.5% à des fréquences inférieures à 1Hz. Il est possible d’atteindre une précision de synchrophasage des hélices de l’ordre de 1° en vol turbulent, c’est-à-dire en cas de perturbation de couple aérodynamique sur chaque hélice d’environ 3% à des fréquences inférieures à 1Hz.
L’invention permet de profiter avantageusement de l’existence, dans certaines architectures, d’une machine électrique connectée soit en direct à l’hélice (propulsion électrique) soit en hybridation parallèle avec une turbine à gaz (propulsion hybride).
Les performances ainsi atteintes de synchrophasage des hélices permettent un contrôle du bruit tant pour le voisinage que pour les passagers. La dynamique de contrôle en vitesse d’une machine électrique et de son contrôle associé étant nettement plus importante que la dynamique de contrôle pour une turbine à gaz ou plus généralement d’un moteur thermique, les performances de réduction du bruit sont importantes.
Il est donc possible de réaliser un contrôle actif du bruit en mettant en œuvre une régulation en vitesse des hélices :
- au sol lorsque les avions se déplacent entre une zone de parking et une piste de décollage,
- en vol en régime de croisière lorsque les avions passent au-dessus des villes ou zones règlementées en terme de bruit,
- en vol de croisière normal pour améliorer le confort des passagers.
Selon une caractéristique préférée, chacune des au moins deux hélices est apte à être entraînée en rotation par une machine thermique et une machine électrique respectives, la gestion de la puissance mécanique fournie à chacune des hélices étant partagée entre la machine thermique et la machine électrique, la machine électrique assurant la fonction de synchrophasage des hélices en effectuant des variations de la puissance mécanique fournie, la machine électrique étant apte à alterner entre fonctionnement moteur et génératrice.
Selon une caractéristique préférée, l’organe de coordination centrale est intégré à un module pré-existant dans l’aéronef.
Selon une caractéristique préférée, les au moins deux modules de commande en vitesse sont respectivement intégrés dans un convertisseur inclus dans chacune des au moins deux machines électriques.
Selon une caractéristique préférée, les capteurs de mesure d’un déphasage entre les au moins deux hélices sont choisis parmi des capteurs inductifs, magnétiques ou optiques.
Selon une caractéristique préférée, la liaison mécanique entre le moyeu de chacune des au moins deux hélices et le rotor de chacune des au moins deux machines électriques respectives est rigide.
Selon une caractéristique préférée, chacune des au moins deux hélices est à pas variable ou à pas fixe.
Selon une caractéristique préférée, l’organe de coordination centrale est configuré pour transmettre la consigne de vitesse aux au moins deux modules de commande en vitesse selon une période comprise entre 10 et 30 ms.
Selon une caractéristique préférée, les au moins deux modules de commande en vitesse sont configurés pour commander la vitesse des au moins deux hélices, respectivement, selon une période d’échantillonnage inférieure ou égale à 1 milliseconde.
L’invention concerne aussi un aéronef comportant un dispositif de de synchrophasage d’hélices tel que précédemment présenté.
L’invention concerne aussi un procédé de synchrophasage d’hélices pour un aéronef, l’aéronef comportant au moins deux hélices, au moins deux machines électriques aptes à entraîner en rotation les au moins deux hélices, respectivement, au moins deux modules de commande en vitesse aptes à commander les au moins deux machines électriques, respectivement, de manière à asservir en vitesse les au moins deux hélices, respectivement,
le procédé de synchrophasage étant caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de :
- mesure de la phase et la vitesse de chacune des au moins deux hélices,
- calcul de la différence de positions entre les au moins deux hélices pour déterminer une mesure de déphasage des hélices, calcul de la différence entre la mesure de déphasage des hélices et une consigne de déphasage et détermination d’une consigne de vitesse des hélices, par un organe de coordination centrale,
- commande de la vitesse de chacune des au moins deux hélices en fonction de la consigne de vitesse, par les au moins deux modules de commande en vitesse, respectivement.
Le procédé et l’aéronef présentent des avantages analogues à ceux précédemment présentés.
Dans un mode particulier de réalisation, les étapes du procédé selon l’invention sont mises en œuvre par des instructions de programme d’ordinateur.
En conséquence, l’invention vise aussi un programme d’ordinateur sur un support d’informations, ce programme étant susceptible d’être mis en œuvre dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé de synchrophasage tel que décrit ci-dessus.
L’invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions de programme d'ordinateur adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé de synchrophasage tel que décrit ci-dessus.
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels donnés à titre d’exemples non limitatifs, décrits en référence aux figures dans lesquelles :
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d’une figure à l’autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Selon un premier mode de réalisation préféré représenté à la , une architecture de propulsion hybride d’un aéronef comporte au moins deux turbomachines, ici des turbopropulseurs, pour entraîner en rotation une hélice 12a, 12b, respectivement.
Chaque turbomachine comporte une turbine à gaz et une machine électrique tournante 2a, 2b respective apte à fournir une fonction de génératrice et une fonction de propulsion. La fonction de propulsion de la machine électrique peut être fournie lorsque la turbine à gaz est en fonctionnement ou à l’arrêt.
Lorsque la turbine à gaz est en fonctionnement, la machine électrique est apte à fournir un surcroit de puissance. Lorsque la turbine à gaz est à l’arrêt, la machine électrique est apte à fournir la puissance nécessaire à un déplacement de type taxiage.
Ainsi, les deux hélices 12a et 12b sont respectivement aptes à être entraînées en rotation par les deux turbines à gaz et les deux machines électriques tournantes 2a et 2b.
Les hélices 12a et 12b sont à pas fixe ou à pas variable.
On s’intéresse plus particulièrement à la partie électrique des turbomachines.
Le circuit électrique des turbomachines comporte un premier sous-circuit à courant continu haute tension, dit HVDC d’après l’anglais « High Voltage Direct Current ».
Le sous-circuit HVDC comporte une batterie HVDC 1 constituant une source de tension capable de générer une puissance par exemple comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de kilowatts, sous une tension par exemple d’environ plusieurs centaines de volt, pendant quelques secondes ou plusieurs minutes. Il s’agit de préférence d’une batterie typée énergie, capable d’apporter une puissance électrique aux machines électriques.
La batterie HVDC 1 est reliée à un convertisseur continu-continu 4. La tension d’entrée du convertisseur 4 est fixée par l’état de charge de la batterie et sa tension de sortie est une tension continue réglable. Le convertisseur 4 est facultatif et peut être de type hacheur série (en anglais « buck ») pour abaisser la tension, ou de type hacheur parallèle (en anglais « boost ») pour élever la tension, ou encore de type abaisseur-élévateur (en anglais « buck-boost ») pour abaisser ou élever la tension.
Le convertisseur continu-continu 4 est relié à un bus HVDC 7, lui-même relié à des convertisseurs continu/alternatif 3a et 3b. Chacun des convertisseurs continu/alternatif 3a et 3b est respectivement relié à la machine électrique 2a et 2b. Pour assurer une propulsion électrique de l’aéronef, un courant électrique continu est fourni via le bus HVDC 7 aux convertisseurs 3a et 3b. Les convertisseurs peuvent fonctionner en onduleurs pour convertir le courant continu en courant électrique alternatif et le fournir aux machines électriques 2a et 2b de manière à entraîner en rotation les hélices 12a et 12b. Inversement, les convertisseurs 3a et 3b peuvent fonctionner en redresseurs pour convertir un courant électrique alternatif fourni par les machines électriques 2a et 2b fonctionnant en génératrices en courant électrique continu fourni à la batterie 1 via le bus HVDC 7.
Le circuit électrique de la turbomachine comporte un deuxième sous-circuit à courant continu basse tension, typiquement 28 V. Le sous-circuit à courant continu basse tension comporte une génératrice à courant continu 5 et une batterie, aptes à alimenter en électricité les différents équipements de l’aéronef.
Le premier sous-circuit à courant continu haute tension et le deuxième sous-circuit à courant continu basse tension sont reliés par l’intermédiaire d’un convertisseur 6, par exemple tel que décrit dans FR 3 116 303.
Selon l’invention, pour chacune des hélices, la machine électrique 2a, 2b correspondante est commandée en vitesse, pour faire varier transitoirement la puissance mécanique fournie à l’hélice de manière à assurer la fonction de synchrophasage des hélices.
Le synchrophasage des hélices d’un aéronef est un ajustage des positions angulaires relatives des hélices des différents groupes propulseurs de l’aéronef.
Le synchrophasage est réalisé en maintenant les positions angulaires relatives entre hélices à des valeurs déterminées, lesquelles peuvent avoir été obtenues lors de vols d'essais. Les valeurs de positions angulaires relatives peuvent être exprimées sous forme de déphasages entre hélices, la phase d'une hélice étant alors définie comme l'écart angulaire entre la position angulaire réelle de l'hélice et une position angulaire de référence commune à toutes les hélices. La phase peut être exprimée en degrés, une rotation complète d'hélice représentant 360°.
Le synchrophasage est réalisé à régime constant, c'est-à-dire pour une même vitesse constante de rotation des hélices. Plusieurs régimes constants peuvent être adoptés correspondant à différentes phases de vol (croisière, décollage, ...) ou à différentes conditions de vol (vent, ...) de l’aéronef, leur nombre étant généralement limité. Différentes valeurs de déphasages souhaitables, ou consignes de déphasage, peuvent être déterminées pour différents régimes constants respectifs.
Lors de l'exploitation de l'aéronef, pour un régime constant donné, on cherche à maintenir les valeurs réelles des déphasages entre hélices égales aux valeurs souhaitables déterminées.
Dans le cas d’une architecture hybride thermique/électrique, la gestion de la puissance mécanique fournie à chacune des hélices est partagée entre :
- la machine thermique,
- la machine électrique, qui assure la fonction de synchrophasage des hélices en effectuant des variations de puissance de faible amplitude dans les deux sens, la machine électrique pouvant alterner entre fonctionnement moteur et génératrice. La machine électrique fournit de la puissance mécanique supplémentaire lorsqu’elle est en fonctionnement moteur et la machine électrique diminue la puissance lorsqu’elle est en fonctionnement génératrice.
Le synchrophasage des hélices est assuré par une boucle de régulation dédiée à cette fonction et schématiquement représenté à la . Il est à noter que la boucle de synchrophasage est identique pour l’architecture hybride thermique/électrique et pour l’architecture électrique qui sera décrite dans la suite.
Plus particulièrement, une boucle par paire d’hélices assure leur synchrophasage. Une hélice est en configuration dite « maître » et l’autre hélice est en configuration « esclave ».
De façon avantageuse, les moyens mis en œuvre pour assurer le synchrophasage des hélices peuvent être les suivants.
On considère une paire d’hélices, par exemple les hélices 12a et 12b de la . Des capteurs inductifs, magnétiques ou optiques 20 mesurent la phase et la vitesse de chaque hélice.
Les valeurs mesurées sont transmises à un organe de coordination centrale 14 qui calcule la différence de position entre les hélices et acquiert ainsi une mesure de déphasage entre les hélices. L’organe de coordination centrale 14 de l’aéronef peut être un module spécifique à la fonction de synchrophasage des hélices, ou être intégré à un module déjà existant dans l’aéronef, tel que le FCC (d’après l’anglais « Flight Control Command ») ou encore le FADEC (pour « Full Authority Digital Engine Control »).
L’organe de coordination centrale 14 prend en compte une consigne de déphasage, et calcule une différence entre la mesure de déphasage entre les hélices et la consigne de déphasage.
Comme déjà mentionné, la consigne de déphasage dépend de la phase de vol (croisière, décollage, ...) et des conditions de vol (vent, ...) de l’aéronef.
A partir de la différence calculée entre la mesure de déphasage entre les hélices et la consigne de déphasage, l’organe de coordination centrale 14 détermine une consigne de vitesse pour chaque hélice visant à minimiser cette différence.
Chaque machine électrique comporte de préférence en outre un module de commande en vitesse interne apte à asservir la vitesse de l’hélice. Une telle configuration est avantageuse car la dynamique du module de commande en vitesse interne est plus rapide que celle du contrôle en vitesse que peut effectuer la machine thermique. Le module de commande en vitesse est par exemple intégré au convertisseur AC/DC 3a, 3b, correspondant à la machine électrique.
L’organe de coordination centrale 14 transmet la consigne de vitesse ainsi déterminée au module de commande en vitesse interne à chaque machine électrique.
Le module de commande en vitesse interne à chaque machine électrique commande alors la vitesse de l’hélice correspondante en fonction de la consigne de vitesse. Par exemple, le convertisseur AC/DC contrôle la fréquence du courant électrique qu’il délivre au moteur électrique 2a, 2b qui lui est associé et contrôle ainsi la vitesse de rotation du moteur électrique. En conséquence, le convertisseur AC/DC contrôle la vitesse de l’hélice associée.
A l’activation du synchrophasage des hélices, la régulation de la turbine à gaz est adaptée de manière à ce que les boucles de régulation de vitesse des hélices de la turbine à gaz d’une part, et de la machine électrique d’autre part, n’agissent pas de manière antagoniste en poursuivant le même objectif de régulation.
Un objectif de régulation autre que la vitesse des hélices peut alors être assigné à la turbine à gaz. Par exemple, il peut être souhaité que la turbine à gaz fournisse une puissance mécanique telle que la puissance moyenne fournie par la machine électrique soit la plus faible possible, dans le but de réduire l’énergie prélevée sur la batterie. En parallèle, l’objectif de régulation de vitesse ainsi que la fonction de synchrophasage des hélices sont assurés par la machine électrique.
Suivants les configurations et les applications souhaitées, l’invention permet :
- d’assurer une fonction de synchrophasage pour des hélices à pas fixe ;
- de relâcher le dimensionnement de l’actionneur de pas variable pour les hélices à pas variable ;
- de dimensionner les machines électriques au seul besoin de la fonction synchrophasage des hélices, c’est-à-dire pour une faible puissance.
Selon un second mode de réalisation préféré représenté à la , l’architecture de propulsion de l’aéronef est électrique et distribuée.
La partie puissance du synchrophasage des hélices est mise en œuvre sur la chaîne électrique. En revanche, la partie contrôle et hébergement des lois de contrôle, est mise en œuvre entre un organe de coordination centrale de l’aéronef gérant les lois de contrôle du vol et la chaîne électrique propulsive gérant la puissance mécanique de l’arbre de l’hélice.
Là encore, l’organe de coordination centrale de l’aéronef peut être un module spécifique à la fonction de synchrophasage des hélices, ou être intégré à un composant déjà existant dans l’aéronef, tel que le FCC ou le FADEC.
L’architecture électrique distribuée comporte au moins deux machines électriques associées respectivement chacune à une hélice.
Dans l’exemple de la , l’aéronef comporte quatre hélices 12a, 12b, 12c et 12d qui sont respectivement aptes à être entraînées en rotation par quatre machines électriques tournantes 2a, 2b, 2c et 2d.
Pour chaque couple machine électrique/hélice, la liaison mécanique entre le rotor de moteur électrique et le moyeu de l’hélice est rigide. Par exemple, l’hélice est montée en prise directe sur l’axe du rotor du moteur électrique.
Chaque machine électrique est reliée à un convertisseur continu/alternatif 3a, 3b, 3c et 3d respectif.
Chaque convertisseur continu/alternatif 3a, 3b, 3c et 3d assure un contrôle rapproché du moteur électrique respectif, par une boucle de vitesse. Ce contrôle rapproché peut être échantillonné selon une période d’échantillonnage relativement faible, par exemple de 1 milliseconde ou moins.
Le contrôle rapproché de chaque moteur électrique utilise une estimation ou une mesure de la vitesse de l’hélice, et donc du rotor du moteur électrique, dont la bande passante est relativement élevée, par exemple supérieure à 10Hz. La vitesse de l’hélice est par exemple mesurée via un ou plusieurs capteurs de vitesse ou de position de l’hélice, par exemple des capteurs inductifs ou magnétiques ou optiques.
Les convertisseurs continu/alternatif 3a, 3b, 3c et 3d sont reliés à un premier sous-circuit à courant continu haute tension HVDC.
Le sous-circuit HVDC comporte une unité d’interconnexion 13 et une batterie HVDC 1 constituant une source de tension. L’unité d’interconnexion 13 comporte des organes de protection et de mesure de courants et tensions de différents réseaux, ici sous-circuits, interconnectés.
Un deuxième sous-circuit à courant continu basse tension, typiquement 28 V, est relié à l’unité d’interconnexion 13 par l’intermédiaire d’un convertisseur 6. Le sous-circuit à courant continu basse tension comporte une génératrice à courant continu 5 et une batterie aptes à alimenter en électricité les différents équipements de l’aéronef.
L’asservissement de vitesse est conçu et paramétré de manière à :
- assurer un suivi de consigne de vitesse rapide et avec peu de dépassement de consigne ; l’ordre de grandeur est par exemple un temps de montée à 95% de la consigne en 150 ms et un dépassement de la consigne inférieur à 10% ;
- assurer un rejet de perturbation de couple sur l’hélice avec une bande passante élevée ; l’ordre de de grandeur est par exemple qu’un échelon de couple résistant doit être rejeté en 250 ms.
De manière similaire au premier mode de réalisation, les moyens mis en œuvre pour assurer le synchrophasage sont les suivants.
Pour un couple d’hélice donné, des capteurs inductifs ou magnétiques ou optiques mesurent la phase et la vitesse de chaque hélice.
Les valeurs mesurées sont transmises à l’organe de coordination centrale 14 qui calcule la différence de positions entre les hélices et détermine ainsi une mesure de déphasage des hélices.
L’organe de coordination centrale 14 dispose de la position de chaque hélice selon une période d’échantillonnage qui dépend de la vitesse de rotation des hélices et du nombre de « doigts » positionnés sur chaque hélice.
Par exemple, si la vitesse de rotation est de 1500rpm et s’il y a quatre doigts par hélice, la période d’échantillonnage est de 1/4 * 1/(1500/60) = 10 millisecondes. Si la vitesse de rotation est de 1000rpm et s’il y a deux doigts par hélice, alors la période d’échantillonnage est de ½*(1/(1000/60)) = 30 millisecondes.
L’organe de coordination centrale 14 prend en compte une consigne de déphasage, et calcule une différence entre la mesure de déphasage entre les hélices et la consigne de déphasage.
Comme déjà mentionné, la consigne de déphasage dépend de la phase de vol (croisière, décollage, ...) et des conditions de vol (vent, ...) de l’aéronef.
A partir de la différence calculée entre la mesure de déphasage entre les hélices et la consigne de déphasage, l’organe de coordination centrale détermine une consigne de vitesse pour chaque hélice visant à minimiser cette différence.
L’organe de coordination centrale 14 envoie la consigne de vitesse respective de chaque hélice au module de commande en vitesse interne à chaque machine électrique qui est par exemple le convertisseur continu/alternatif correspondant respectivement à chaque hélice.
Le module de commande en vitesse interne à chaque machine électrique commande alors la vitesse de l’hélice correspondante en fonction de la consigne de vitesse.
Il est à noter que la consigne de vitesse peut être un delta de consigne de vitesse respectif de chaque hélice qui est ensuite ajouté à la vitesse de consigne commune à toutes les hélices de manière à asservir la vitesse de chaque hélice en fonction de sa consigne de déphasage. Le delta de consigne de vitesse peut n’être calculé et envoyé que toutes les 10 ou 30ms.
L’invention permet de garantir une précision de phasage inférieure à 0.5° en vol calme, c’est-à-dire en cas de perturbation de couple aérodynamique sur chaque hélice d’environ 1.5% à des fréquences inférieures à 1Hz et assure en outre une précision de phasage de l’ordre de 1° en vol turbulent, c’est-à-dire en cas de perturbation de couple aérodynamique sur chaque hélice d’environ 3% à des fréquences inférieures à 1Hz.
La illustre un mode de réalisation de procédé de synchrophasage des hélices et comporte des étapes E1 à E3. Le procédé est mis en œuvre tant dans l’architecture hybride que dans l’architecture électrique.
La première étape E1 correspond à une mesure de la phase et la vitesse de chaque hélice par les capteurs inductifs ou magnétiques ou optiques. Les valeurs mesurées sont transmises à l’organe de coordination centrale.
L‘étape suivante E2 est un calcul de la différence de positions entre les hélices pour déterminer ainsi une mesure de déphasage des hélices.
L’organe de coordination centrale prend en compte une consigne de déphasage, et calcule une différence entre la mesure de déphasage des hélices et la consigne de déphasage.
A partir de la différence calculée entre la mesure de déphasage des hélices et la consigne de déphasage, une consigne de vitesse des hélices est déterminée pour minimiser ladite différence.
La consigne de vitesse ainsi déterminée est transmise au module de commande en vitesse interne à chaque machine électrique, par exemple au niveau du convertisseur associé à la machine électrique.
A l’étape suivante E3, le module de commande en vitesse interne à chaque machine électrique commande la vitesse de l’hélice correspondante en fonction de la consigne de vitesse, permettant de réaliser le synchrophasage souhaité des hélices.
Claims (10)
- Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef, l’aéronef comportant au moins deux hélices (12a, 12b, 12c, 12d), au moins deux machines électriques (2a, 2b, 2c, 2d) aptes à entraîner en rotation les au moins deux hélices, respectivement, au moins deux modules de commande en vitesse (3a, 3b, 3c, 3d) aptes à commander les au moins deux machines électriques, respectivement, de manière à asservir en vitesse les au moins deux hélices, respectivement,
le dispositif de synchrophasage étant caractérisé en ce qu’il comporte :- des capteurs de mesure (20) d’un déphasage entre les au moins deux hélices,
- un organe de coordination centrale (14) configuré pour recevoir une consigne de déphasage, pour calculer une différence entre la mesure de déphasage et la consigne de déphasage, pour déterminer une consigne de vitesse pour les au moins deux hélices, à partir de la différence calculée, la consigne de vitesse permettant de minimiser ladite différence, et pour transmettre la consigne de vitesse aux au moins deux modules de commande en vitesse (3a, 3b, 3c, 3d) des au moins deux machines électriques (2a, 2b, 2c, 2d), respectivement,
- Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef selon la revendication 1, dans lequel chacune des au moins deux hélices (12a, 12b) est apte à être entraînée en rotation par une machine thermique et une machine électrique respectives, la gestion de la puissance mécanique fournie à chacune des hélices étant partagée entre la machine thermique et la machine électrique, la machine électrique assurant la fonction de synchrophasage des hélices en effectuant des variations de la puissance mécanique fournie, la machine électrique étant apte à alterner entre fonctionnement moteur et génératrice.
- Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’organe de coordination centrale (14) est intégré à un module pré-existant dans l’aéronef.
- Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les au moins deux modules de commande en vitesse (3a, 3b, 3c, 3d) sont respectivement intégrés dans un convertisseur inclus dans chacune des au moins deux machines électriques.
- Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les capteurs de mesure (20) d’un déphasage entre les au moins deux hélices sont choisis parmi des capteurs inductifs, magnétiques ou optiques.
- Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la liaison mécanique entre le moyeu de chacune des au moins deux hélices et le rotor de chacune des au moins deux machines électriques respectives est rigide.
- Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’organe de coordination centrale (14) est configuré pour transmettre la consigne de vitesse aux au moins deux modules de commande en vitesse selon une période comprise entre 10 et 30 ms.
- Dispositif de synchrophasage d’hélices pour un aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les au moins deux modules de commande en vitesse (3a, 3b, 3c, 3d) sont configurés pour commander la vitesse des au moins deux hélices, respectivement, selon une période d’échantillonnage inférieure ou égale à 1 milliseconde.
- Aéronef comportant un dispositif de de synchrophasage d’hélices selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- Procédé de synchrophasage d’hélices pour un aéronef, l’aéronef comportant au moins deux hélices(12a, 12b, 12c, 12d), au moins deux machines électriques (2a, 2b, 2c, 2d) aptes à entraîner en rotation les au moins deux hélices, respectivement, au moins deux modules de commande en vitesse (3a, 3b, 3c, 3d) aptes à commander les au moins deux machines électriques (2a, 2b, 2c, 2d), respectivement, de manière à asservir en vitesse les au moins deux hélices (12a, 12b, 12c, 12d), respectivement,
le procédé de synchrophasage étant caractérisé en ce qu’il comporte des étapes de :- mesure (E1) de la phase et la vitesse de chacune des au moins deux hélices,
- calcul (E2) de la différence de positions entre les au moins deux hélices pour déterminer une mesure de déphasage des hélices, calcul de la différence entre la mesure de déphasage des hélices et une consigne de déphasage et détermination d’une consigne de vitesse des hélices, par un organe de coordination centrale (14),
- commande (E3) de la vitesse de chacune des au moins deux hélices (12a, 12b, 12c, 12d) en fonction de la consigne de vitesse, par les au moins deux modules de commande en vitesse (3a, 3b, 3c, 3d), respectivement.
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