FR2959280A1

FR2959280A1 - Procede de demarrage d'un moteur a turbine a gaz

Info

Publication number: FR2959280A1
Application number: FR1152781A
Authority: FR
Inventors: Kenneth Winston; Andre Ajami
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2011-10-28
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: US20110259016A1; FR2959280B1; US9086018B2; RU2467192C1

Abstract

Un procédé de démarrage d'un moteur à turbine à gaz (12) consiste à maintenir le moteur à turbine à gaz à la vitesse de maintien après l'allumage jusqu'à ce qu'une amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion soit déterminée, augmenter ensuite la vitesse du moteur de démarreur (24) pour accélérer le moteur à turbine à gaz une fois que l'amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion est atteinte.

Description

PROCEDE DE DEMARRAGE D'UN MOTEUR A TURBINE A GAZ

La présente invention concerne un moteur à turbine à gaz et, plus particulièrement, un procédé de démarrage d'une unité de puissance auxiliaire avec un cycle de chauffage de chambre de combustion. Une séquence de démarrage pour un moteur à turbine à gaz, par exemple, un moteur utilisé dans une unité de puissance auxiliaire (APU), coordonne la vitesse de moteur, l'allumage et la distribution de carburant pour obtenir un démarrage fiable. Un moteur de démarreur est couplé au moteur à turbine à gaz et est mis en oeuvre pour produire une rotation de celui-ci. Alors que le moteur de démarreur accélère le moteur, une pompe de distribution de carburant assure la circulation de carburant vers celui-ci. Des allumeurs sont ensuite actionnés pour effectuer l'allumage dans une section de chambre de combustion. Lors d'un allumage réussi, et une fois que le moteur a atteint une vitesse auto-entretenue, le moteur de démarreur est désengagé ou mis en oeuvre en tant que génératrice. Dans certaines conditions telles que des altitudes élevées, des températures froides ou des combinaisons de celles-ci, le moteur à turbine à gaz peut s'arrêter. Aux altitudes et aux températures d'air d'entrée froides extrêmes, la possibilité d'un échec de démarrage augmente. Un procédé de démarrage d'un moteur à turbine à gaz selon un premier aspect de la présente invention comprend les étapes de commander une vitesse d'un moteur de démarreur pendant une séquence de démarrage pour entraîner un moteur à turbine à gaz à une vitesse de maintien ; maintenir le moteur à turbine à gaz à la vitesse de

maintien après l'allumage jusqu'à ce qu'une amplitude prédéterminée de chauffage de chambre de combustion soit déterminée ; augmenter la vitesse du moteur de démarreur pour accélérer le moteur à turbine à gaz une fois que l'amplitude prédéterminée de chauffage de chambre de combustion est atteinte.

Un procédé de démarrage de moteur à turbine à gaz selon un deuxième aspect de la présente invention comprend les étapes de commander une vitesse d'un moteur de démarreur pendant une séquence de démarrage pour entraîner un moteur à turbine à gaz à une vitesse de maintien ; maintenir le moteur à turbine à gaz à la vitesse de maintien après l'allumage jusqu'à ce qu'une température de gaz d'échappement (EGT) atteigne une température prédéterminée ; augmenter la vitesse du moteur de démarrage pour accélérer le moteur à turbine à gaz une fois que la température prédéterminée est atteinte. Un procédé de démarrage d'un moteur à turbine à gaz selon un aspect de l'invention comprend les étapes suivantes : - commander une vitesse d'un moteur de démarrage pendant une séquence de démarrage pour entraîner un moteur à turbine à gaz à une 20 vitesse de maintien ; - actionner un allumeur pour obtenir l'allumage ; - maintenir le moteur à turbine à gaz à la vitesse de maintien après l'allumage jusqu'à ce qu'une amplitude prédéterminée de chauffage de chambre de combustion soit déterminée ; et 25 - augmenter la vitesse du moteur de démarrage pour accélérer le moteur à turbine à gaz une fois que l'amplitude prédéterminée de chauffage de chambre de combustion est atteinte. De manière avantageuse, l'amplitude prédéterminée de chauffage de chambre de combustion peut être déterminée par une augmentation 30 de la température de gaz d'échappement (EGT) prédéterminée. De manière avantageuse, l'amplitude prédéterminée de chauffage de chambre de combustion peut être déterminée lorsqu'une température de gaz d'échappement (EGT) atteint une température prédéterminée. La température prédéterminée peut être une 35 augmentation de température prédéterminée. L'augmentation de température prédéterminée peut être d'environ 500 degrés F (278 °C).

De manière avantageuse, l'amplitude prédéterminée de chauffage de chambre de combustion peut être déterminée par un temps prédéterminé après l'allumage. De manière avantageuse, l'amplitude prédéterminée de chauffage 5 de chambre de combustion peut être déterminée par une détermination de totaliseur de volume de carburant. De manière avantageuse, la séquence de démarrage ne peut être lancée qu'au-dessus d'une altitude prédéterminée, avantageusement qu'au-dessus de 30.000 pieds (9,1 km). 10 De manière avantageuse, la séquence de démarrage ne peut être lancée qu'au-dessous d'une température ambiante prédéterminée. De manière avantageuse, l'augmentation de la vitesse du moteur de démarreur se poursuit jusqu'à ce que le moteur à turbine à gaz puisse être accéléré à une vitesse de fonctionnement prédéterminée. 15 Diverses caractéristiques deviendront évidentes aux hommes du métier à partir de la description détaillée qui suit du mode de réalisation non limitatif présenté. Les dessins qui accompagnent la description détaillée peuvent être décrits brièvement comme suit : la figure 1 est un schéma de principe d'un système de démarrage 20 de moteur à turbine à gaz selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 2 est un organigramme illustrant une séquence de démarrage avec un module de chauffage selon un mode de réalisation de la présente invention ; 25 la figure 3 est une représentation graphique d'un cycle de démarrage réussi selon la séquence de la figure 2 sur un cycle de temps qui est d'environ 3 minutes ; la figure 4 est une séquence de démarrage de l'art connexe ; et la figure 5 est une représentation graphique de l'art connexe d'un 30 cycle de démarrage qui a échoué selon la séquence de démarrage de l'art connexe de la figure 4 sur un cycle de temps de moins de 1 minute. La figure 1 illustre une vue schématique générale d'une unité de puissance auxiliaire (APU) 10. L'APU 10 comprend généralement un moteur à turbine à gaz 12, un système de génératrice de démarrage 14 35 et un système de carburant 16. Le moteur à turbine à gaz 12 comprend généralement une section de compresseur 12C, une section de turbine 12T et une section de chambre de combustion 12M. En général, la

section de compresseur 12C pompe l'air dans la section de chambre de combustion 12M de sorte que la section de chambre de combustion 12M brûle le carburant dans un environnement de haute pression. Le carburant qui brûle dans la section de chambre de combustion 12M chauffe l'air avant sa communication à travers la section de turbine 12T. Les produits de combustion qui sont dispersés à travers la section de turbine 12T au-dessus du débit de carburant de ralenti développent plus de puissance que nécessaire pour commander la section de compression de cycle 12C de sorte qu'un peu d'air (appelé « air de prélèvement ») peut être retiré et utilisé en tant que sortie pneumatique pour alimenter d'autres dispositifs. En variante, la puissance peut être utilisée pour entraîner un compresseur de charge qui comprime l'air dans un étage séparé, entraîne d'autres systèmes, ou pour réaliser des combinaisons de cela.

Le système de génératrice de démarreur 14 et le système de carburant 16 peuvent comprendre des contrôleurs 18, 20 indépendants qui peuvent être mis en oeuvre par un microprocesseur programmé de manière appropriée ou n'importe quel autre dispositif de traitement, avec n'importe quel dispositif d'interface et les capteurs pour celui-ci nécessaires pour commander les systèmes 14, 16 respectifs. Bien qu'illustrés schématiquement séparément, les contrôleurs 18, 20 peuvent être combinés en un contrôleur d'APU unique. Les contrôleurs 18, 20 peuvent en plus ou en variante communiquer l'un avec l'autre par l'intermédiaire d'un contrôleur central de niveau plus élevé tel qu'une commande électronique numérique à pleine autorité (FADEC) 22. Les contrôleurs 18, 20, 22 communiquent sur un bus de communication ou similaire (illustré schématiquement en 23). Les contrôleurs 18, 20, 22 peuvent comprendre des systèmes de rétroaction en boucle fermée comportant une logique de système de commande linéaire telle que des trajets PID (proportionnel, intégral, dérivée) pour obtenir la réponse souhaitée et compenser des forces de déstabilisation indésirables. On devrait comprendre que divers agencements de contrôleurs et de capteurs peuvent être utilisés avec ceux-ci. Le système de génératrice de démarreur 14 comprend généralement un moteur de démarreur 24 qui reçoit une énergie électrique par l'intermédiaire d'un convertisseur de puissance 25 d'une source d'énergie électrique 26 telle qu'une batterie, une source de

courant alternatif, une source de courant continu, ou des combinaisons de celles-ci. Le moteur de démarreur 24 peut être un moteur de démarreur continu sans balai, un moteur alternatif, un moteur à réluctance commutée, ou des combinaisons de ceux-ci connectés à un rotor 34 du moteur à turbine à gaz 12 par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses 30 pour appliquer un couple à celui-ci et recevoir un couple de celui-ci. En variante, on devrait comprendre que le moteur de démarreur 24 peut directement faire tourner le rotor 34 sans boîte de vitesses, embrayage ou similaire intermédiaire. Une fois que le moteur à turbine à gaz 12 a atteint la vitesse de fonctionnement, le moteur de démarreur 24 peut être mis en oeuvre en tant que génératrice électrique pour alimenter diverses charges et divers systèmes. Le moteur de démarreur 24 réagit aux signaux délivrés par le contrôleur de système de démarreur 18 et le FADEC 22. Le FADEC 22 communique avec une suite de capteurs, tels qu'un capteur de vitesse Ss qui détecte la vitesse du rotor 34 et un capteur de température St qui détecte la température de gaz d'échappement (EGT) du moteur à turbine à gaz 12. On devrait comprendre que la suite de capteurs peut en plus, ou en variante, utiliser d'autres capteurs. Le contrôleur de système de démarreur 18 réagit en outre à un signal de commande qui peut être développé par l'actionnement d'un commutateur 32 qui lance ou termine une séquence de démarrage. Le système de carburant 16 comprend généralement un moteur de pompe 36 qui communique avec le contrôleur de système de carburant 20 pour entraîner une pompe à carburant 36 à des vitesses variables pour délivrer du carburant à la section de chambre de combustion 12M du moteur à turbine à gaz 12. Le système de carburant 16 réagit aux signaux délivrés par le contrôleur de système de pompe 20 et le FADEC 22.

En faisant référence à la figure 2, une séquence de démarrage est lancée par une commande de démarrage, par exemple par l'actionnement du commutateur de démarrage 32 (étape 100). Le contrôleur de système de démarreur 18 commande le moteur de démarreur 24 pour appliquer un couple commandé au rotor 34 du moteur à turbine à gaz 12. Le moteur à turbine à gaz 12 est accéléré à une vitesse de maintien prédéterminée pour l'allumage. La plage des vitesses de moteur auxquelles le démarrage a le plus de chance de se

produire est appelée « fenêtre d'allumage » et va généralement de 5 % à 20 % de la vitesse de moteur nominale. Dans un mode de réalisation non limitatif, le moteur de démarreur 24 entraîne le moteur à turbine à gaz 12 à 8 % de la vitesse de moteur nominale pour l'allumage qui se produit dans le mode de réalisation non limitatif présenté à environ 62 secondes (figure 3). Une fois que l'allumage s'est produit, l'EGT commence à augmenter. Plutôt que d'accélérer presque immédiatement le moteur à turbine à gaz comme cela se fait généralement et de subir un arrêt potentiel (art connexe ; figures 4 et 5), le moteur de démarreur 24 est mis en oeuvre en réponse à un module de chauffage 40. Le module de chauffage 40 exécute un cycle de chauffage qui est présenté en termes de schémas fonctionnels. Les hommes du métier devraient comprendre grâce à la présente description que ces fonctions peuvent être exécutées dans des éléments de circuit matériels dédiés, des sous-programmes logiciels programmés pouvant être exécutés dans un mode de réalisation de commande électronique à base de microprocesseur ou dans un autre support pouvant être lu par un ordinateur. Dans un mode de réalisation non limitatif, le module 40 peut être une partie, n'importe lequel, ou une combinaison différente des contrôleurs 18, 20, 22, et d'autres systèmes. En fonctionnement, une fois que la séquence de démarrage a été lancée (étape 100), le contrôleur de système de démarreur 18 commande le moteur de démarreur 24 pour appliquer un couple commandé au moteur à turbine à gaz 12 à une vitesse de rotation ou « de maintien » spécifiée (étape 102). Initialement, le moteur de démarreur 24 entraîne le moteur à turbine à gaz 12 vers une vitesse de rotation de moteur prédéterminée (étape 104). Le temps pour atteindre la vitesse de maintien prédéterminée est représenté graphiquement sur la figure 3 comme commençant à environ 52 secondes, la figure 3 représentant un démarrage exemplaire avec un cycle de chauffage de chambre de combustion pour un moteur à turbine à gaz 12 à haute altitude (par exemple, au-dessus de 30.000 pieds/9,144 km). Alors que la vitesse augmente, le contrôleur de système de démarreur 18 module le couple du moteur de démarreur 24 pour qu'il converge vers une vitesse d'allumage (étape 106). Une fois que la vitesse d'allumage est atteinte, la source d'allumage est activée (excitateur de la figure 3). La

vitesse de moteur à turbine à gaz est surveillée continûment jusqu'à ce qu'une vitesse d'activation de carburant soit atteinte, instant auquel le carburant est introduit dans la section de chambre de combustion 12M (étapes 108 et 110). Tout au long de l'augmentation linéaire de la vitesse de moteur à turbine à gaz, le contrôleur de système de démarreur 18 module le couple appliqué par le moteur de démarreur 24 de manière à maintenir la vitesse de moteur à turbine à gaz dans la fenêtre d'allumage (étapes 112 et 114). Comme illustré sur la figure 3, la vitesse de moteur augmente linéairement alors que le moteur de démarreur 24 commence à entraîner le moteur à turbine à gaz 12. Etant donné que le moteur de démarreur 24 fournit la force motrice, la température de gaz d'échappement (EGT) du moteur à turbine à gaz 12 reste à peu près constante à peu près à la température ambiante de l'air jusqu'à l'allumage. Après l'allumage, l'EGT augmente. Le module de chauffage 40 commande le moteur de démarreur 24 pour entraîner le moteur à turbine à gaz 12 à la vitesse de maintien prédéterminée jusqu'à ce qu'une amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion soit atteinte (étapes 116, 118). Dans un mode de réalisation non limitatif, l'amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion est déterminée par une augmentation de l'EGT telle que, par exemple, une augmentation de 500 °F (278 °C) qui fournit le cycle de chauffage pour la section de chambre de combustion 12M. En variante, ou en plus, d'autres métriques pour l'amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion peuvent être utilisées telles que, par exemple, un retard après l'allumage, ou un totaliseur de volume de carburant. Le module de chauffage 40 fournit de ce fait un cycle de chauffage pour la section de chambre de combustion 12M pour permettre essentiellement à la section de chambre de combustion 12M de « cuire » et éviter la possibilité d'un arrêt qui peut autrement se produire dans une séquence de démarrage classique (art connexe ; figure 4) à environ 23 secondes (art connexe ; figure 5). Notamment, sur la figure 5, un arrêt se produit à peu près à l'instant auquel l'accélération lancée par le moteur de démarreur après l'allumage du moteur est identifiée comme caractéristique d'une séquence de démarrage classique.

Le module de chauffage 40 ne peut être mis en oeuvre que dans des zones spécifiques de l'enveloppe de fonctionnement telles qu'à hautes altitudes, par exemple, au-dessus d'environ 30.000 pieds pour faire face à la faible densité de l'air et aux faibles températures de l'air.

En variante, même au niveau du sol, des températures extrêmement froides peuvent lancer l'utilisation du module de chauffage 40. Comme identifié à l'étape 116, le fait que «EGT actuelle » moins « EGT initiale » est supérieur à une amplitude prédéterminée de chauffage peut être utilisé par le module de chauffage 40. Une fois que l'amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion est atteinte, un couple supplémentaire est appliqué par le moteur de démarreur 24 pour débuter l'accélération du moteur à turbine à gaz 12 et encore assurer le fonctionnement continu de la section de chambre de combustion 12M (étape 118). Bien que la vitesse de moteur soit maintenue presque constante, la vitesse de moteur dérive encore généralement alors que le moteur de démarreur 24 applique un couple minimal alors que le moteur à turbine à gaz 12 devient de plus en plus stable alors que la section de chambre de combustion 12M se réchauffe. C'est-à-dire que finalement, même avec l'application d'un couple minimal par le moteur de démarreur 24, le moteur à turbine à gaz 12 augmente la sortie de puissance. On devrait comprendre que, bien que le module de chauffage 40 assure un démarrage réussi dans les conditions adverses, une légère augmentation du temps de démarrage se produit de sorte qu'il peut être souhaitable de n'utiliser le module de chauffage 40 que dans des conditions de démarrage de moteur difficiles prédéterminées telles que, par exemple, les altitudes élevées, les faibles températures et les combinaisons de celles-ci susmentionnées. Une fois en-dehors d'une région de démarrage à faible vitesse de moteur, le moteur de démarreur 24 est ensuite commandé pour appliquer un couple maximum pour accélérer rapidement le moteur à turbine à gaz 12 jusqu'à une vitesse de fonctionnement auto-entretenue (étape 120). Une fois que le moteur à turbine à gaz a atteint la vitesse de fonctionnement auto-maintenue, généralement d'environ 50 % de la vitesse de rotor déterminée, le moteur de démarreur 24 peut être arrêté. Le moteur à turbine à gaz 12 continue ensuite l'accélération jusqu'à une vitesse de fonctionnement normale de 100 % à laquelle le

fonctionnement de la génératrice peut commencer. La commande du moteur à turbine à gaz peut ensuite passer dans un mode de vitesse constante dans lequel la vitesse de moteur est constante. On devrait comprendre que les termes de position relative tels que « vers l'avant », « vers l'arrière », « supérieur », « inférieur », « au-dessus », « au-dessous » et similaire sont utilisés avec référence à l'attitude de fonctionnement normale du véhicule et ne devraient pas être considérés comme limitatifs. On devrait comprendre que des numéros de référence identiques identifient des éléments correspondants ou similaires sur la pluralité de dessins. On devrait également comprendre que, bien qu'un agencement de composants particulier soit présenté dans le mode de réalisation illustré, d'autres agencements bénéficieront de la présente invention. Bien que des séquences d'étapes particulières soient montrées, décrites et revendiquées, on devrait comprendre que les étapes peuvent être exécutées dans n'importe quel ordre, séparées ou combinées sauf indication contraire et bénéficieront encore de la présente invention. La description qui précède est exemplaire plutôt que définie par les limitations dans celle-ci. Divers modes de réalisation non limitatifs sont présentés dans le présent document, cependant, un homme du métier reconnaîtrait que diverses modifications et variantes à la vue des enseignements ci-dessus tomberont dans l'étendue des revendications jointes. On doit, par conséquent, comprendre que dans l'étendue des revendications jointes, l'invention peut être mise en pratique autrement que comme décrit spécifiquement. Pour cette raison, les revendications jointes devraient être examinées pour déterminer l'étendue vraie et le contenu.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de démarrage d'un moteur à turbine à gaz (12) comprenant les étapes suivantes : commander une vitesse d'un moteur de démarreur (24) pendant une séquence de démarrage pour entraîner un moteur à turbine à gaz à une vitesse de maintien ; actionner un allumeur pour atteindre l'allumage ; maintenir le moteur à turbine à gaz à la vitesse de maintien après 10 l'allumage jusqu'à ce qu'une amplitude prédéterminée de chauffage de chambre de combustion soit déterminée ; et augmenter la vitesse du moteur de démarreur pour accélérer le moteur à turbine à gaz une fois que l'amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion est atteinte. 15
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion est déterminée par une augmentation de la température de gaz d'échappement (EGT) prédéterminée.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'amplitude 20 prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion est déterminée lorsqu'une température de gaz d'échappement (EGT) atteint une température prédéterminée.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la température prédéterminée est une augmentation de température prédéterminée. 25
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'augmentation de température prédéterminée est d'environ 500 °F (278 °C).
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion est déterminée par un temps prédéterminé après l'allumage. 30
7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'amplitude prédéterminée de chauffage de la chambre de combustion est déterminée par une détermination de totaliseur de volume de carburant.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 35 dans lequel la séquence de démarrage n'est lancée qu'au-dessus d'une altitude prédéterminée.. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la séquence de démarrage n'est lancée qu'au-dessus de 30.000 pieds (9,1 km). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la séquence de démarrage n'est lancée qu'au- dessous d'une température ambiante prédéterminée. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'augmentation de la vitesse du moteur de démarreur se poursuit jusqu'à ce que le moteur à turbine à gaz soit accéléré à une vitesse de fonctionnement prédéterminée.