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PP — Groupe motopropulseurChapitre 8 · 70 questions pratiques

Chapitre 8 : Moteur à turbine — Régulation carburant et FADEC

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Moteur à turbine — Régulation carburant et FADEC

Aperçu du chapitre

Ce chapitre couvre les principes fondamentaux des systèmes de régulation de carburant des moteurs à turbine, incluant les systèmes hydromécaniques traditionnels et les systèmes FADEC (Full Authority Digital Engine Control). La régulation du carburant est essentielle pour garantir un fonctionnement sûr, efficace et fiable du moteur dans toutes les conditions de vol. Les concepts abordés incluent les composants clés, les modes de fonctionnement, les pannes courantes et les procédures de dépannage.

Diagramme — Moteur à turbine — Régulation carburant et FADEC MOTEUR À TURBINE — RÉGULATION CARBURANT ET FADEC Module M-POWERPLANT — Schéma technique fonctionnel FADEC Full Authority Digital Engine Control Capteur T2 Temp. admission Capteur P2 Pression admission Capteur N1 Régime BP Capteur N2 Régime HP Capteur EGT Temp. échappement Manette des gaz Position pilote Signal HMU Commande carburant Pompe HP Régulation débit Vannes carburant Ouverture/fermeture Allumage Excitation bougies HMU Hydro-Mécanical Unit Commandes électriques Chambre de combustion Mélange air-carburant + inflammation Carburant dosé Mesure EGT LÉGENDE Capteurs / Entrées Actionneurs / Sorties Liaison FADEC Le FADEC régule le débit carburant via HMU pour contrôler poussée et régime selon les paramètres moteur

Concepts clés

1. Systèmes de régulation de carburant

Ordonnancement du débit carburant Ordonnancement du débit carburant Manette des gaz Position (TLA) Entrée pilote P3 / CDP Press. refoulement compresseur Température ambiante (T₂) Compensation Altitude Press. barométrique Densité air N1 / N2 Régimes rotors Retour tachymétrique FCU / FADEC Lois de régulation Loi d'accélération Loi de décélération Butées min / max débit Compensations T° / altitude Limites et protections Régulateur de vitesse (N₁ max) Protection survitesse Vanne de dosage Fuel metering valve Position commandée Débit carburant Consigne Wf Vers injecteurs Contraintes Boucle de rétroaction régime — retour N1/N2 vers le calculateur Principe : Le FCU/FADEC calcule la consigne de carburant à partir des paramètres de commande, des lois de régulation et des limites de protection. La vanne de dosage exécute la consigne.

Système hydromécanique :

  • Le Fuel Control Unit (FCU) est le cœur du système. Il dose la quantité de carburant envoyée au moteur en fonction de plusieurs paramètres : position de la manette des gaz, pression de refoulement du compresseur (P3 ou CDP), température et altitude.
  • Le FCU ne pompe pas, ne filtre pas et n'atomise pas le carburant ; il le dose uniquement.
  • Les entrées principales du FCU incluent :
  • P3 (pression de refoulement du compresseur) : utilisée comme pression de référence pour estimer le débit d'air massique du moteur.
  • Température ambiante : compensée pour ajuster le rapport air/carburant.
  • Altitude : compensée via la pression barométrique pour maintenir le bon mélange.

Système FADEC :

  • Le FADEC est un système numérique à pleine autorité qui contrôle automatiquement tous les paramètres du moteur (débit de carburant, vannes de purge, allumage, démarrage) sans intervention directe du pilote.
  • Il reçoit des signaux de multiples capteurs et commande des actionneurs.
  • Double canal : la redondance est assurée par deux canaux indépendants. Si un canal tombe en panne, l'autre prend le relais pour garantir la continuité de fonctionnement.

2. Modes de fonctionnement du FADEC

Modes de fonctionnement du FADEC (normal, alterné, manuel) Modes de fonctionnement du FADEC (normal, alterné, manuel) Mode normal Mode alterné Mode manuel/direct Repli sécuritaire Défaut → transition automatique MODE NORMAL — Pleine autorité Contrôle complet du moteur : • Débit carburant (vanne de dosage) • Vannes de purge, allumage, démarrage • Protections : survitesse, EGT, pompage Double canal Canal A + Canal B actifs OK MODE ALTERNÉ — Fonctionnalité réduite Après détection d'un défaut : • Jeu de capteurs différent • Loi de commande simplifiée • Protection moteur maintenue Canal unique Canal A OU B en service ALT MODE MANUEL / DIRECT — Secours FADEC inactif : • Pilote contrôle le débit carburant • Liaison mécanique de secours • Surveillance accrue requise Liaison mécanique Câble + poulies → FCU MAN REPLI SÉCURITAIRE — Signal manette perdu Perte du signal de la manette : • Le FADEC impose un régime sécuritaire • Maintien du ralenti (ou approche) • Permet un atterrissage en sécurité Régime de repli Ralenti sécuritaire R DÉFAUT PANNE FADEC PERTE SIGNAL si perte signal Transitions automatiques : défaut capteur → mode alterné | panne FADEC → mode manuel | perte signal manette → repli sécuritaire (ralenti)
Boucle FADEC double canal Boucle FADEC double canal MOTEUR Compresseur (P3) Chambre de combustion Turbine (N2) Échappement (EGT) CAPTEURS P3 (pression) refoulement comp. N1 / N2 vitesses TAT / P0 temp. / altitude Position manette FADEC CANAL A Calcul logique Lois de régulation accél. / décél. / butées CANAL B Calcul logique Lois de régulation accél. / décél. / butées basculement si panne Détection de désaccord capteurs croisés A/B FMU Fuel Metering Unit Vanne de dosage Fuel metering valve Vanne d'arrêt Fuel shutoff valve Vanne de vidange Fuel drain valve Transmetteur débit Fuel flow transmitter Actionneurs Cmd A Cmd B retour position vanne signaux manette MANETTE DES GAZ Position manette → angle commandé signal manette P3, N2, EGT carburant dosé LÉGENDE Signaux capteurs / commandes Débit carburant Retour capteur position Basculement / détection panne Mode dégradé : perte signal manette → régime ralenti sécuritaire
  • Mode normal : le FADEC contrôle tous les paramètres du moteur.
  • Mode alterné (Alternate mode) : le FADEC fonctionne avec une fonctionnalité réduite, utilisant un ensemble de capteurs différent ou une loi de commande simplifiée, suite à un défaut détecté.
  • Mode manuel (Manual mode / Direct mode) : le FADEC est inactif ; le pilote contrôle directement le débit de carburant, souvent via une liaison mécanique. C'est un mode de secours.
  • Mode dégradé : en cas de perte de signal de la manette des gaz, le FADEC se met par défaut à un régime sécuritaire (souvent ralenti) pour permettre un atterrissage.

3. Composants clés du système carburant

Composants du circuit carburant turbine Composants du circuit carburant turbine RÉSERVOIR Carburant POMPE Pression et débit Ne dose pas FILTRE Élimine les contaminants Protège le FCU RÉCHAUFFEUR Échangeur carburant/huile Prévient la glace VANNE D'ARRÊT Tout ou rien Arrêt normal/urgence FCU / FMU Dose le carburant uniquement Ne pompe pas, ne filtre pas Ne pulvérise pas Entrée P3 Pression compresseur Température Compensation Altitude Pression barométrique VANNE DE DOSAGE Régule la quantité Contrôlée par FCU/FADEC DÉBITMÈTRE Mesure le débit Vers indicateur BUSES Atomisent le carburant Fin brouillard FADEC Contrôle numérique pleine autorité Double canal redondant Mode normal / alterné / manuel Signaux de commande Protections et lois de régulation Loi d'accélération — évite pompage et extinction Loi de décélération — évite extinction flamme Butées débit min/max — plage de sécurité Régulateur de vitesse — limite survitesse Compensation température Compensation altitude Pannes courantes : débit faible/pression normale, EGT élevé, mélange riche/pauvre, désaccord capteurs, vanne bloquée
  • Pompe à carburant : fournit le carburant à la pression et au débit requis vers le FCU. Elle ne dose pas le carburant.
  • Filtre à carburant : élimine les contaminants pour protéger le FCU et les autres composants.
  • Vanne de dosage (Fuel metering valve) : contrôlée par le FADEC ou le FCU, elle régule précisément la quantité de carburant envoyée à la chambre de combustion.
  • Injecteur de carburant (Fuel nozzle) : atomise le carburant en un fin brouillard pour une combustion efficace. Il ne dose pas, ne filtre pas et ne met pas sous pression le carburant.
  • Vanne d'arrêt carburant (Fuel shutoff valve) : vanne tout ou rien qui coupe l'alimentation en carburant pour l'arrêt normal ou d'urgence.
  • Vanne de vidange (Fuel drain valve) : vidange le carburant résiduel du collecteur et des injecteurs après l'arrêt pour éviter le cokage et les démarrages chauds.
  • Transmetteur de débit carburant (Fuel flow transmitter) : mesure le débit de carburant et fournit les données à l'indicateur du poste de pilotage.

4. Lois de régulation et protections

Logique de protections moteur Logique de protections moteur ENTRÉES CAPTEURS P3 (pression compresseur) Position manette des gaz Température ambiante Altitude / Pression baro FADEC / FCU Double canal redondant Loi d'accélération / décélération Compensation température / altitude Régulateur de vitesse (N1/N2) PROTECTIONS MOTEUR SURVITESSE (Overspeed) Régulateur limite N1/N2 max SURTEMPÉRATURE (EGT) Limite EGT — réduction carburant SURGE / POMPAGE Loi d'accélération anti-pompage ACTION : RÉDUCTION / LIMITATION DU DÉBIT CARBURANT Vanne de dosage Butée débit max Butée débit min Vanne d'arrêt EFFETS RECHERCHÉS ✓ Prévention survitesse ✓ Limitation EGT ✓ Anti-pompage / surge ✓ Protection extinction flamme MODES DE SECOURS FADEC Mode alterné (capteurs réduits) Mode manuel (lien mécanique) Mode dégradé (régime ralenti) Bascule canal A → canal B Protection active Effet protecteur
  • Loi d'accélération : conçue pour éviter le pompage du compresseur et l'extinction de la flamme lors des avances rapides de la manette des gaz. Elle dose soigneusement le carburant pour correspondre à l'augmentation du débit d'air.
Lois d'accélération et de décélération du carburant Lois d'accélération et de décélération du carburant Débit de carburant en fonction du temps — variations rapides de la manette Débit carburant (kg/h) Temps (s) Max Croisière Ralenti Min t₀ t₁ t₂ t₃ t₄ Butée débit max Butée débit min Zone de pompage (mélange trop riche) Zone d'extinction de flamme (mélange trop pauvre) Ralenti Point critique Avance rapide — Loi d'accélération Réduction rapide — Loi de décélération ⚠ Risque de pompage Si le carburant augmente trop vite par rapport à l'air → mélange riche → décollement des aubes compresseur. ⚠ Risque d'extinction Si le carburant diminue trop vite → mélange pauvre → température de flamme insuffisante → extinction. Lois de régulation La loi d'accélération dose le carburant pour suivre l'augmentation du débit d'air. La décélération réduit progressivement pour maintenir la flamme. Manette des gaz Légende Débit carburant Butées min/max Sens du débit
  • Loi de décélération : conçue pour éviter l'extinction de la flamme lors des réductions rapides de la manette des gaz en réduisant progressivement le débit de carburant.
  • Butée de débit minimum : garantit un débit de carburant minimum pour éviter l'extinction de la flamme, même au ralenti ou en décélération.
  • Butée de débit maximum : limite le débit de carburant maximum pour éviter un excès de carburant et des dommages potentiels.
  • Régulateur de vitesse (Speed governor) : limite la vitesse maximale du moteur pour éviter une survitesse.
  • Compensation en température : ajuste le débit de carburant en fonction des variations de température de l'air.
  • Compensation en altitude : ajuste le débit de carburant en fonction des variations de densité de l'air.

5. Échangeurs de chaleur

Réchauffeur de carburant et échangeur carburant/huile Réchauffeur de carburant et échangeur carburant/huile FILTRE À CARBURANT CARB. Cristaux de glace bloquant le filtre ÉCHANGEUR CARBURANT/HUILE Double rôle : réchauffer le carburant, refroidir l'huile CIRCUIT D'HUILE MOTEUR HUILE (chaude) HUILE (refroidie) L'huile chaude réchauffe le carburant Le carburant refroidit l'huile AIR DE PURGE (option alternative au réchauffeur) PURGE CARBURANT RÉCHAUFFÉ Vers le FCU / vanne de dosage PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Réservoir / Pompe Filtre (risque de glace) Échangeur carburant/huile FCU / Vanne Injecteurs Retour huile refroidie vers moteur Air de purge (alternative) Carburant Huile Air de purge Cristaux de glace
  • Réchauffeur de carburant (Fuel heater) : principalement utilisé pour empêcher la formation de glace dans le système carburant, qui pourrait obstruer les filtres et causer une panne moteur.
  • Échangeur carburant/huile (Fuel/oil heat exchanger) : utilise l'huile moteur pour chauffer le carburant, principalement pour empêcher la formation de glace. Il contribue également à refroidir l'huile.

6. Pannes courantes et diagnostics

Dépannage de la régulation carburant : symptômes et causes Dépannage de la régulation carburant : symptômes et causes SYMPTÔMES OBSERVÉS CAUSES PROBABLES ANALYSE DIAGNOSTIQUE Pression normale + Débit faible Débit insuffisant malgré une pression correcte Restriction en aval du point de mesure de pression Vanne de dosage ne s'ouvre pas complètement EGT élevé pour un régime donné Température excessive par rapport à la puissance Rapport air/carburant trop élevé : mélange pauvre Pas assez de carburant par rapport à l'air (mélange pauvre) Débit carburant élevé pour un régime donné Consommation excessive Rapport air/carburant trop faible : mélange riche Trop de carburant par rapport à l'air (mélange riche) Pompage à haute puissance Instabilité du compresseur Données erronées du capteur CDP (P3) fournies au régulateur Capteur CDP défectueux (pression de refoulement compresseur) Fluctuation de pression Pression instable Air dans le système, pompe défectueuse ou Air / cavitation / pompe défectueuse
Diagnostic FADEC Diagnostic FADEC — Lecture défauts, validation capteurs, câblage, actionneur, test fonctionnel et libération 1. LECTURE DÉFAUTS • Extraire les codes défauts via l'outil de maintenance • Noter les défauts actifs et les défauts mémorisés • Identifier le canal FADEC en défaut (A ou B) 2. VALIDATION CAPTEURS • Vérifier T12, P3, N1, N2, TLA, position vanne • Comparer les valeurs des capteurs redondants • Détecter les désaccords entre canaux A et B 3. CÂBLAGE • Vérifier continuité et isolation des câbles • Contrôler les connecteurs (broches, verrouillage) • Rechercher les courts- circuits ou circuits ouverts 4. ACTIONNEUR • Vérifier la vanne de dosage (FMV) • Tester le moteur de l'actionneur • Valider la réponse aux commandes FADEC Boucle de diagnostic itérative 5. TEST FONCTIONNEL • Effectuer le test d'étanchéité • Vérifier le fonctionnement de la vanne d'arrêt • Simuler les conditions de fonctionnement du moteur 6. LIBÉRATION • Consigner les résultats • Effacer les défauts • Rétablir les sécurités • Remplir la feuille de libération (ATA 73) Si test non concluant → retour à l'étape 1 ou 2 DÉFAUTS COURANTS ET CAUSES POSSIBLES : DÉFAUT OBSERVÉ CAUSE PROBABLE ACTION CORRECTIVE Débit faible, pression normale Vanne de dosage restreinte Vérifier la vanne FMV et son câblage EGT élevé pour un régime donné Mélange pauvre (air/carburant) Valider les capteurs de débit d'air
  • Débit de carburant faible avec pression normale : indique une restriction en aval du point de mesure de pression, le plus souvent une vanne de dosage qui ne s'ouvre pas complètement.
  • Débit de carburant élevé pour un régime donné : indique un mélange riche (trop de carburant par rapport à l'air).
  • EGT élevé pour un régime donné : indique un mélange pauvre (pas assez de carburant par rapport à l'air).
  • Accélération lente avec EGT élevé : signe classique d'un mélange pauvre pendant l'accélération.
  • Pression de carburant fluctuante : peut être causée par de l'air dans le système, une pompe défectueuse ou de la cavitation.
  • Perte de puissance sans défaut FADEC : souvent due à un capteur défectueux fournissant des données erronées au FADEC, qui réduit la puissance pour protéger le moteur.
  • Défaut de désaccord de capteurs : deux capteurs redondants fournissent des lectures qui diffèrent au-delà d'un seuil spécifié.
  • Défaut de position de la vanne de dosage : la position réelle de la vanne ne correspond pas à la position commandée, souvent dû à un blocage mécanique, un mauvais réglage ou un capteur de position défectueux.

Relations entre les concepts

  • Le FCU (ou le FADEC) reçoit des entrées de capteurs (P3, température, altitude, position de la manette) et commande la vanne de dosage pour réguler le débit de carburant.
  • Le débit de carburant et le débit d'air (estimé via P3) déterminent le rapport air/carburant, qui influence directement l'EGT et la puissance du moteur.
  • Les lois d'accélération et de décélération sont des programmes qui ajustent le débit de carburant en fonction des variations de la manette des gaz pour éviter le pompage et l'extinction de la flamme.
  • Les compensations en température et en altitude ajustent le débit de carburant pour maintenir un rapport air/carburant correct dans des conditions atmosphériques variables.
  • Les butées de débit minimum et maximum sont des limites physiques ou logicielles qui empêchent le moteur de fonctionner en dehors de sa plage de sécurité.
  • Le FADEC utilise la redondance (double canal) pour garantir la fiabilité. En cas de panne d'un canal, l'autre prend le relais, ou le système passe en mode alterné ou manuel.
  • Les échangeurs de chaleur (réchauffeur de carburant, échangeur carburant/huile) sont utilisés pour prévenir la formation de glace dans le système carburant, ce qui pourrait obstruer les filtres et causer une panne moteur.
Chapitre 7Moteur à turbine — Lubrification et étanchéitéChapitre 9Moteur à turbine — Allumage et démarrage

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