FR3076322A1 - Procede et dispositif de demarrage pour une turbomachine par temps froid - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de démarrage par temps froid d'une turbomachine comprenant un démarreur (10) exerçant un couple (Cd) sur un corps mobile (1) en rotation pour augmenter son régime (N), une étape d'ajustement de couple (104) dans laquelle, lorsqu'une indication de température extérieure (Text) est inférieure à une valeur de température donnée, le couple (Cd) est ajusté pour que le régime (N) du corps mobile augmente à partir de zéro, au moins jusqu'à une valeur de régime déterminée, avec une accélération limitée par une valeur (α) déterminée pour que le couple résistif (Cr) croisse continument en fonction du régime (N), et une étape de calcul de limitation de couple (103) qui détermine une limitation du couple (Cd) en utilisant une évaluation d'un couple résistif statique exercé sur le corps mobile pour chaque régime (N) à ladite température extérieure.

Description

Procédé et dispositif de démarrage pour une turbomachine par temps froid

Domaine de l’invention :

La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines, en particulier d’aéronef. Plus précisément, l’invention concerne le démarrage des turbomachines par temps froid, et plus particulièrement par temps très froid, typiquement par des températures inférieures à -10°C.

Etat de la technique :

Généralement, un démarreur utilisant de l’énergie extérieure, électrique ou pneumatique par exemple, fournit un couple qui entraîne le corps haute-pression de la turbomachine afin de lui permettre d’atteindre un régime suffisant pour allumer la chambre de combustion. Lors d’un démarrage par des températures qui ne sont pas très froides, typiquement supérieures à -10°C, En référence à la figure 1, la valeur absolue du couple Cd fourni sur l’arbre du corps haute-pression par le démarreur suit généralement la courbe L1, correspondant au fait que l’on commande le démarreur pour qu’il fournisse le couple maximal Cdm pour lequel il a été dimensionné jusqu’à ce que la vitesse de rotation N du corps haute-pression atteigne sensiblement une valeur N1 permettant de lancer la phase d’allumage où la chambre de combustion du moteur est allumée. A partir de cet instant, la vitesse de rotation du corps haute-pression continue d’augmenter jusqu’à ce que le moteur atteigne un régime stable de fonctionnement. La courbe L1 de variation du couple Cd fourni par le démarreur peut alors décroître, par exemple selon une loi linéaire en fonction de la vitesse de rotation N du corps hautepression qui est adaptée pour accompagner la montée en puissance du moteur jusqu’à ce qu’il fournisse un couple moteur.

La turbomachine exerce sur l’arbre du corps haute-pression un couple résistif, c’està-dire s’opposant au mouvement de rotation du corps haute-pression, qui est principalement imputable aux éléments en contact avec des fluides dont la viscosité varie fortement avec la température, notamment de l’huile de lubrification ou encore du fluide pour circuit hydraulique d’avion. Ces éléments sont principalement constitués par les roulements et les organes de pompage, notamment les pompes à huile du moteur ou encore la pompe hydraulique avion.

Tant que la température extérieure reste « normale », les températures dites « normales » étant ici considérées comme n’étant pas très froides, typiquement supérieures à -10°C, on constate qu’avant l’allumage, la turbomachine exerce sur l’arbre du corps haute-pression un couple résistif Cr qui suit la courbe L2 et qui augmente avec la vitesse de rotation N du corps haute-pression jusqu’à un maximum Cr1 lorsque cette vitesse atteint la valeur N1 d’allumage du moteur. Ensuite, le couple résistif Cr diminue régulièrement jusqu’à s’annuler à une valeur N3 du régime, puis devient un couple moteur au-delà.

Par contre, lors d’un démarrage par temps très froid, le fluide se trouvant dans les roulements et dans les organes de pompage reste figé et conduit à une forte augmentation du couple résistif. On peut donc constater des difficultés pour démarrer des turbomachines d’aéronef lorsque la température ambiante est inférieure à -10°C, et a fortiori des difficultés importantes lorsque la température ambiante se situe entre 30°C et -50°C, notamment après un temps d’immobilisation important.

On remarque dans ce cas, que les moteurs de turbomachine résistent généralement très fortement à l’effort développé par le démarreur en début de phase de démarrage. Par exemple, comme illustré sur la figure 1 pour une température extérieure de -40°C, en réponse à une sollicitation du démarreur dont le couple Cd suit la courbe L1, le couple résistif Cr suit alors la courbe L3, qui présente un pic de valeur Cr2 pour une valeur N2 de la vitesse de rotation du corps haute-pression nettement inférieure à la vitesse de rotation N1 d’allumage, correspondant à une deuxième valeur maximale Cr’1, avant que le couple résistif Cr ne décroisse après l’allumage.

D’une manière générale, les maxima Cr2 et Cr’1 sont plus importants que la valeur maximale Cr1 atteinte à des températures « normales ». Le démarreur est donc dimensionné pour que le couple Cdm fourni pendant la première partie de la courbe L1 soit supérieur au maximum atteint par le couple résistif Cr à température très froide, ici Cr2, augmentée d’une valeur AC pour entraîner le moteur.

Dans certaines applications, le pic Cr2 de valeur du couple résistif à faible vitesse N2 de rotation peut être très important. Il implique alors une augmentation du dimensionnement de la chaîne de démarrage (qui comprend notamment, le démarreur mais aussi des engrenages et l’arbre d’entraînement du corps haute-pression), qui est très importante par rapport aux conditions de températures « normales ». Cela devient pénalisant en termes de masse et de volume pour les éléments de la chaîne de démarrage. Cela entraîne aussi une augmentation des sollicitations en fatigue sur toute la chaîne de transmission.

Il est connu du document FR-A1-3025252, un procédé permettant de maîtriser le couple exercé par le démarreur en fonction de la vitesse de rotation d’une turbine du moteur de sorte que le démarrage du moteur soit plus robuste quel que soit l’environnement dans lequel évolue l’aéronef équipé du moteur. Cependant, ce procédé n’est pas optimal pour éviter un pic de valeur du couple résistif (tel que le pic Cr2 susmentionné) à faible vitesse dans le cadre d’un démarrage par température extérieure très froide.

Il est également connu du document US-A-5051670, un procédé permettant de réguler le couple exercé par le démarreur selon une courbe croissante et décroissante, par le contrôle de la densité de flux de l’entrefer. La réduction du couple sur la partie initiale du démarrage de la turbomachine a notamment pour objectif de permettre l’utilisation d’un démarreur de type starter/générateur, sans risquer de casser les engrenages par un couple excessif. Cependant, ce procédé n’est pas adapté pour éviter un pic de valeur du couple résistif (tel que le pic Cr2 susmentionné) à faible vitesse dans le cadre d’un démarrage par température extérieure très froide.

L’invention a donc pour but de proposer une solution permettant de répondre aux nouveaux besoins opérationnels des turbomachines, notamment à bas régime, ainsi qu’aux objectifs de sécurité et qui soit suffisamment flexible pour pouvoir s’adapter facilement au comportement de la turbomachine.

Présentation de l’invention :

A cet effet, l’invention concerne un procédé de démarrage par temps froid d’une turbomachine, la turbomachine comportant un moteur thermique comprenant un corps mobile en rotation, le moteur thermique étant agencé pour s’allumer à partir d’une valeur de régime donnée du régime du corps mobile, la turbomachine exerçant un couple résistif sur le corps mobile en dessous de ladite valeur de régime donnée, procédé dans lequel un démarreur exerce un couple sur le corps mobile pour augmenter son régime, caractérisé en ce que le procédé comprend :

- une étape d’ajustement de couple dans laquelle, lorsqu’une indication de température extérieure à la turbomachine est inférieure à une valeur de température donnée, le couple exercé par le démarreur est ajusté en le limitant de telle sorte que le régime du corps mobile augmente à partir de zéro, au moins jusqu’à une valeur de régime déterminée, avec une accélération limitée par une valeur déterminée de manière à ce que le couple résistif croisse continûment en fonction du régime au moins jusqu’à la valeur de régime donnée, et

- une étape de calcul de limitation de couple qui détermine une limitation du couple exercé par le démarreur en utilisant une évaluation d’un couple résistif statique exercé sur le corps mobile pour chaque régime à ladite température extérieure, ledit couple résistif statique correspondant à une valeur établie pour ladite température extérieure et pour le régime établi du corps mobile.

Comme mentionné en introduction, la source du premier maximum de couple résistif est principalement due aux éléments en contact avec des fluides dont la viscosité varie fortement avec la température, principalement l’huile de lubrification ou des fluides hydrauliques. Ces éléments sont principalement les roulements et les organes de pompage. Lors d’un démarrage par temps très froid, le fluide restant dans les roulements et les organes de pompage est figé et s’oppose au mouvement des parties tournantes. Cette augmentation du couple résistif est d’autant plus importante que l’accélération sur les parties mobiles est grande.

La température donnée en dessous de laquelle on applique le procédé correspond de préférence à la limite haute de températures très froides où ces phénomènes apparaissent. En commandant le démarreur de telle sorte que l’accélération en régime soit limitée, en particulier pour les faibles valeurs de régime où l’effet de l’accélération sur le couple résistif est importante, on limite les effets précédemment cités de la viscosité des fluides et on peut limiter le pic de pression à passer, donc le couple que doit fournir le démarreur. Cela permet de diminuer les contraintes de dimensionnement de la chaîne de démarrage de la turbomachine.

Le couple résistif statique, tel que défini, ne subit pas les augmentations liées aux accélérations. II permet de déterminer un minimum de couple à dépasser pour mettre en mouvement le corps mobile du moteur. A chaque instant du processus, dès lors que le couple exercé est supérieur au couple résistif statique d’une certaine quantité, on est assuré d’exercer un couple suffisant pour accélérer le corps mobile selon une accélération maîtrisée qui est fonction de la quantité de couple exercée au-dessus de la valeur du couple résistif statique. Comme on limite cette quantité de couple supplémentaire exercée par rapport audit couple résistif statique, l’accélération obtenue reste inférieure à la borne fixée.

Suivant une caractéristique de l’invention, l’évaluation de la valeur du couple résistif statique est établie par des essais de caractérisation.

De préférence, mais de manière non limitative, la valeur limitant l’accélération dépend du régime et est croissante avec le régime, au moins jusqu’à la valeur de régime donnée.

En prenant la plus faible valeur d’accélération au tout début du démarrage, on limite les effets dus à l’adhésion du fluide figé dans les roulements à l’arrêt.

Dans un mode de réalisation particulier, le procédé comporte une étape définissant une première valeur de consigne pour le couple exercé par le démarreur, et dans lequel l’étape d’ajustement de couple définit une consigne pour le démarreur en prenant le minimum entre ladite valeur de consigne et une limitation du couple exercé par le démarreur fournie par l’étape de calcul.

Ce mode de réalisation permet d’utiliser un module existant pour réaliser la première étape. On peut donc mettre en œuvre le procédé en ajoutant à un module existant, ne prenant pas les phénomènes cités, des modules effectuant une limitation de consigne permettant d’éviter les pics de couple résistif.

Avantageusement, le démarreur est commandé par une régulation de sa source de puissance, par exemple électrique, en utilisant une fonction de transfert entre le couple exercé et la puissance fournie au démarreur pour appliquer le procédé.

Suivant une caractéristique de l’invention, le régime du corps mobile est contrôlé par une boucle de régulation comprenant une boucle imbriquée dans laquelle est réalisée la détermination de la limitation du couple. En d’autres termes, le contrôle en vitesse du moteur comprend un limiteur en couple sur une boucle imbriquée.

Avantageusement, ladite valeur de régime déterminée du régime dans l’étape d’ajustement de couple est au moins égale à ladite valeur de régime donnée d’allumage du moteur.

De cette manière, le couple exercé par le démarreur et le couple résistif augmentent chacun progressivement du début du démarrage jusqu’à ce que le régime atteigne ladite valeur de régime donnée, sans pic intermédiaire. Dans une deuxième phase, le couple exercé par le démarreur peut décroître progressivement pour faire monter le régime jusqu’à une deuxième valeur déterminée du régime, pour laquelle le moteur fonctionne de manière autonome et l’action du démarreur est arrêtée. L’étape d’ajustement peut être effectuée également dans la deuxième phase, jusqu’à la deuxième valeur déterminée du régime.

L’invention concerne aussi un système de démarrage d’une turbomachine, la turbomachine comportant un démarreur et un moteur comprenant un corps mobile en rotation, le moteur étant agencé pour fonctionner lorsque le corps mobile tourne à un régime supérieur à une première valeur donnée, comprenant un démarreur et un module électronique, ledit module électronique étant agencé pour obtenir en entrée une indication de température extérieure et une indication de régime du corps mobile, et pour commander le démarreur de manière à effectuer un procédé de démarrage tel que décrit précédemment.

Avantageusement, le module électronique comporte des tables définissant une évaluation d’un couple résistif statique du corps mobile pour chaque régime à ladite température extérieure, ledit couple résistif statique correspondant à une valeur établie pour ladite température extérieure et pour le régime établi du corps mobile.

Le module électronique peut comprendre un premier sous-module calculant pour les indications courantes de régime du corps mobile et de température extérieure, une valeur limite de la commande du démarreur correspondant à la limitation du couple exercé par le démarreur.

Le module électronique peut comprendre un deuxième sous-module calculant une commande du démarreur sans tenir compte de la température et un troisième sous module limitant cette commande en sortie par la valeur limite fournie par le premier sous-module électronique.

L’invention concerne également une turbomachine comprenant un tel système de démarrage.

Brève description des figures :

La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 présente des évolutions de couples exercés par le démarreur et la turbomachine sur un arbre moteur lors d’une phase de démarrage effectuée selon l’art antérieur ;

la figure 2 présente un schéma de principe d’une turbomachine utilisant un procédé de démarrage selon l’invention ;

la figure 3 présente un diagramme des principales étapes d’un mode de réalisation d’un procédé selon l’invention pour le démarrage d’une turbomachine;

la figure 4 présente un diagramme détaillant la troisième sous-étape dans le diagramme de la figure 3 ; et la figure 5 présente des évolutions de couples exercés par le démarreur et la turbomachine sur un arbre moteur lors d’une phase de démarrage effectuée selon l’invention.

Les composants ayant les mêmes fonctions dans ces deux exemples ont les mêmes références.

Description détaillée :

En référence à la figure 2, le moteur d’une turbomachine comprend généralement un compresseur 2, une turbine 3 et une chambre de combustion 5. Le compresseur 2 et la turbine 3 solidaires en rotation, sont ici reliés par un arbre haute-pression 4, l’ensemble formant le corps haute-pression 1 tournant à un régime ou vitesse de rotation N donné.

Généralement, la turbomachine elle-même comprend de plus un corps basse-pression et des éléments propulseurs, non représentés sur la figure 1.

La turbomachine comprend généralement, en outre, un boîtier de relais d’accessoires 7, également appelé AGB pour « Accessory Gear Box » en anglais, un circuit d’huile avec des pompes 8 pour lubrifier des éléments roulants tels que des paliers 9 sur l’arbre haute-pression 4 ou des engrenages dans le boîtier de relais d’accessoires 7, et un calculateur moteur 6 (appelé ECU).

Généralement, la turbomachine est conçue pour que la chambre de combustion 5 puisse être allumée lorsque le régime N du corps haute-pression 1 atteint une valeur de régime donnée N1. Il en résulte, comme dans ce qui a été décrit en introduction, que la combustion ne commence à fournir de la puissance pour le moteur qu’à partir de ce régime N1.

En dessous de ce régime N1, le couple Cr exercé sur l’arbre haute-pression 4 par le moteur 1 et l’ensemble des équipements 9, 7 de la turbomachine qui y sont couplés est résistant. Généralement, la valeur de ce couple résistif Cr croît avec le régime moteur à cause, en particulier, des effets aérodynamiques dans le compresseur 2. De plus, il apparaît que lorsque la température externe Text descend notablement en-dessous de zéro, et plus particulièrement en dessous d’une valeur de température Tmin qui est typiquement égale à -10°C, la résistance de frottement des fluides, tels que le lubrifiant ou d’autres fluides hydrodynamiques utilisés dans les accessoires, induit une augmentation importante du couple résistif sur l’arbre haute-pression 4, en particulier aux faibles régimes N.

On notera ici, que lors d’une montée en régime N, l’accélération de la mise en mouvement d’éléments entre lesquels du fluide est figé induit une forte augmentation de résistance par rapport aux frottements, comme cela a été évoqué en introduction. Le couple résistif Cr en transitoire, pour un régime N donné et une température extérieure Text donnée, est donc en général notablement supérieur aux valeurs de ce qui est appelé ici le couple résistif statique Cre (Text, N) pour les mêmes valeurs de régime et de température extérieure, obtenues à régime stabilisé après une très faible accélération.

II est possible, par exemple, lors de la phase de développement de la turbomachine, de définir pour chaque valeur de température extérieure Text dans laquelle la turbomachine doit fonctionner et pour chaque valeur de régime N, une valeur Cre (Text, N) du couple résistif exercé sur l’arbre haute-pression 4 du corps haute-pression tournant en régime établi, en d’autres termes à un régime relativement stabilisé. Cette valeur Cre (Text, N) peut être établie, de manière empirique, par des essais de caractérisation. Cette valeur peut être disponible, par exemple, sous forme de tables enregistrées dans une mémoire d’un calculateur, par exemple un calculateur embarqué dans la turbomachine. De manière avantageuse, ce couple résistif en régime établi Cre croît avec le régime N pour une température extérieure donnée, tant que la chambre de combustion 5 n’est pas allumée.

Au-delà de la valeur N1 du régime, le fonctionnement de la chambre de combustion fournit de l’énergie au moteur et le couple résistif Cr exercé sur l’arbre haute-pression 4 diminue progressivement jusqu’à changer de signe.

La turbomachine comporte donc un système de démarrage du moteur à l’arrêt pour entraîner l’arbre haute-pression 4 jusqu’à un régime auquel le moteur peut fonctionner de manière autonome.

Le système de démarrage du moteur comporte un démarreur 10. Généralement, le démarreur 10 comporte un arbre de sortie 11 couplé au boîtier de relais d’accessoires 7. Le boîtier de relais d’accessoires 7 participe donc au système de démarrage du moteur en transformant le couple exercé sur l’arbre 11 du démarreur 10 en un couple Cd exercé sur l’arbre haute-pression 4.

Le démarreur est commandé par un boîtier de commande 12 (appelé SCU). Sur l’exemple de la figure 2, le démarreur 10 est électrique. Le boîtier 12 commande alors le couple développé par le démarreur 10 électrique en régulant la puissance électrique i qui est transmise au démarreur 10 à partir d’un circuit électrique 13 de l’aéronef sur lequel est embarquée la turbomachine. Plusieurs technologies de moteur électrique et de commande dans le boîtier 12 sont possibles : machine tri-étages, machine asynchrone, machine à aimant permanent.

Dans une variante non représentée, le moteur du démarreur peut être pneumatique.

Le boîtier 12 commande alors le débit envoyé vers le démarreur à partir d’un circuit de fluide pressurisé à bord de l’aéronef.

Le boîtier de commande 12 est relié au calculateur moteur 6 pour pouvoir recevoir des ordres de démarrage, des informations sur la température extérieure Text et des informations sur l’état de la turbomachine. Dans une variante, les informations complémentaires aux ordres du calculateur moteur 6 peuvent aussi être directement envoyées au boîtier de commande par des capteurs.

Sur l’exemple considéré, le boîtier de commande 12 reçoit du calculateur 6 une indication de la vitesse de rotation N de l’arbre haute-pression 4, fournie par un capteur 14, et une indication de la température extérieure Text, ainsi que des ordres de démarrage Corn. Il reçoit directement en outre une intensité de courant Id mesurée dans le démarreur 10.

Ici, le boîtier de commande 12 comporte à la fois un dispositif 20, par exemple électronique, qui transfère, du circuit électrique 13 vers le démarreur 10, une puissance électrique i, et un module électronique 21 commandant le dispositif de transfert de puissance en fonction du couple à exercer. Il peut être envisagé d’inclure ce module électronique 21 dans le calculateur moteur 6.

Le système peut être utilisé pour mettre en œuvre un procédé de démarrage selon l’invention, qui se déroule de la manière décrite ci-après.

Dans une première phase, le démarreur 10 est commandé pour lancer le corps haute-pression 1 d’un régime nul, à l’arrêt, jusqu’à une valeur sensiblement égale à la valeur N1 du régime à partir de laquelle la chambre de combustion 5 peut être allumée. Durant cette première phase, le démarreur 10 est commandé de façon à ce que le couple Cd qu’il exerce sur l’arbre haute-pression 4 entraîne une accélération suffisamment faible pour que le couple résistif Cr ne passe pas par un pic avant d’atteindre sa valeur maximale pour le régime N1 où la chambre de combustion 5 est allumée. En d’autres termes, l’accélération est suffisamment faible pour que le couple résistif Cr croisse continûment en fonction du régime N au moins jusqu’à la valeur de régime N1.

Un exemple de mode de réalisation de cette première phase est décrit en référence aux figures 3 et 4.

Dans une première étape 101, le boîtier de commande 12 utilise en entrée la vitesse de rotation N du corps haute-pression 1 mesurée par le capteur 14 et calcule une consigne de couple Ci à développer par le démarreur 10 de manière à lancer le moteur 1.

Comme cela est suggéré sur la figure 3 dans le pictogramme lié à la première étape 101, la loi donnant le couple Ci de consigne en fonction de la vitesse de rotation N peut être similaire à celle de la courbe L1 de la figure 1. Dans ce cas, la consigne de couple Ci peut être fixée à une valeur constante Cdm tant que le régime N est inférieur à la valeur de régime donnée N1 correspondant au début de l’allumage. La valeur Cdm du plateau initial peut être fixée dans le module 21 à une valeur correspondant au couple nécessaire pour vaincre la résistance maximale du couple résistif en régime établi du moteur à toutes les conditions de températures extérieures Text de démarrage de la turbomachine, en ajoutant une valeur AC de sur-couple pour parvenir à augmenter la vitesse de rotation N du corps haute-pression.

Cela n’est cependant qu’un exemple, la valeur Cdm peut dépendre de la température extérieure Text. La valeur de consigne Ci peut aussi être déterminée par une fonction du régime N plus complexe qu’un simple plateau.

Dans une deuxième étape 102, le module 21 commande le dispositif 20 de transfert de puissance pour qu’il fournisse le courant ic permettant au démarreur 10 d’exercer un couple Cd correspondant à la valeur de consigne Ci. La consigne de courant ic peut être déduite en inversant la fonction de transfert Cd= F(i) de la chaîne de démarrage, reliant le couple Cd exercé sur l’arbre haute-pression 4 au courant id à injecter dans le démarreur 10 pour obtenir ce couple. Le dispositif de transfert 20 utilise ensuite la consigne fournie par le module 21 pour fournir le courant ic à partir de la source de courant 13 embarquée sur l’aéronef.

Cette étape 102 peut être effectuée avec une commande en boucle fermée utilisant en retour le courant id effectivement mesuré au niveau du démarreur 10.

On notera aussi, que cette deuxième étape 102 peut être ici effectuée en utilisant des algorithmes qui sont les mêmes que ceux utilisés aux températures plus froides que la température négative Tmin en dessous de laquelle on effectue la limitation de surcouple. Cette étape peut donc être effectuée avec un boîtier de commande existant. Les étapes ultérieures correspondant alors à des modules ajoutés à ce boîtier.

Parallèlement, une troisième étape 103 de calcul de limitation de couple consiste à calculer une valeur limite imax de la puissance à envoyer au démarreur 10 pour que le couple Cd exercé sur l’arbre haute-pression 4 ne dépasse pas une valeur Cdmax. Cette valeur imax peut être calculée par le même module électronique 21 que celui mentionné dans la deuxième étape 102, ou encore par un module électronique distinct.

En référence à la figure 4, le calcul de la valeur imax peut être effectué de la manière suivante :

En fonction de l’indication du régime N du corps haute-pression 1 et de l’indication de température extérieure Text, le module électronique en charge du calcul peut déterminer la valeur correspondante du couple résistif statique Cre (Text, N) qui s’exercerait sur l’arbre 4 du corps haute-pression 1, par exemple à l’aide de tables 23 préenregistrées dans une mémoire du module électronique.

En parallèle, le module électronique détermine une valeur AC de sur-couple pour limiter l’accélération en régime du corps haute-pression à une valeur limite d’accélération a prédéterminée, de manière à obtenir un démarrage « en douceur » du moteur. Cette valeur a peut être stockée en mémoire dans le module 21.

La relation entre la valeur limite a de l’accélération et le couple exercé sur l’arbre moteur est donnée par :

AC = a . J

Où J est le moment d’inertie du corps haute-pression 1 dont la valeur peut avoir été évaluée lors de la conception de la turbomachine.

Pour effectuer cette troisième étape 103 de calcul de limitation de couple, le module électronique, par exemple le module 21, a donc en mémoire une valeur J du moment d’inertie du corps haute-pression 1 et au moins une valeur a d’accélération qui a été préalablement ajustée pour limiter l’accélération lors du procédé de démarrage.

On notera par ailleurs, que la valeur de a n’est pas obligatoirement constante au cours de la troisième étape 103. On peut par exemple découper la plage des régimes N du corps haute-pression 1 en m plages successives dans lesquelles des valeurs α1, a2, α3.. am sont ajustées pour optimiser le temps de démarrage tout en restant en dessous de valeurs d’accélération qui entraîneraient une augmentation brutale du couple résistif Cr. Avantageusement, ces valeurs α1, α2, a3.. am sont croissantes avec le régime N car on cherche à minimiser les accélérations au tout début du démarrage, lorsque les efforts de résistance dus au fluide figé sur les composants à l’arrêt sont les plus importants.

Toujours dans la troisième étape 103 de calcul de limitation de couple, le module 21 calcule, pour la valeur courante de régime N et la température extérieure Text, une valeur limite Cdmax (Text, N) du couple à exercer par le démarreur sur l’arbre du corps haute-pression à chaque instant en ajoutant la valeur AC de sur-couple au couple résistif statique Cre(Text, N).

Ensuite, le module 21 calcule une valeur maximale imax de courant à envoyer vers le démarreur 10, qui correspond à la valeur limite de couple Cdmax ( Text, N) à ne pas dépasser, en réalisant une fois encore l’inverse de la fonction de transfert Cd= F(i) de la chaîne de démarrage.

Une quatrième étape 104 d’ajustement de couple correspond à l’envoi vers le démarreur 10 du courant ia obtenu en limitant le courant ic produit lors de la deuxième étape 102 par la valeur imax fournie par la troisième étape 103 de calcul de limitation de couple. En d’autres termes, le courant ia alimentant le démarreur 10 est la valeur minimum entre le courant ic et la valeur imax. Cette quatrième étape 104 peut être ici intégrée au dispositif de transfert de puissance 20 ou effectuée par un dispositif limiteur de puissance, non représenté.

Une cinquième étape 105 correspond à l’action physique du démarreur 10 exerçant le couple Cd sur l’arbre haute-pression 4 avec la contre réaction du couple résistif Cr effectivement exercé par la turbomachine, qui induit une évolution du régime N du corps haute-pression 1 et permet la poursuite du processus de démarrage jusqu’à la valeur N1 du régime, à laquelle on peut allumer la chambre de combustion 5.

Dans une deuxième phase, la chambre de combustion 5 est allumée et fournit de la puissance au moteur. L’arbre haute-pression 4 voit donc le couple résistif Cr diminuer progressivement au fur et à mesure que, avec l’assistance du démarreur 10 dans un premier temps, le régime N du corps haute-pression 1 augmente. Lorsque le régime N atteint une valeur N3, dépendant des conditions d’environnement, notamment de la température, et de l’historique des deux phases de démarrage, la valeur du couple résistif Cr passe par zéro, et le couple devient donc moteur.

Le procédé peut reprendre les étapes précédemment décrites pour la première phase. Dans une première étape 101, une valeur de consigne Ci(N) du démarreur 10 au cours de la deuxième phase est déterminée, de manière similaire à ce qui est fait dans l’état de la technique, en définissant une rampe décroissante du couple Cd lorsque le régime Nr augmente, jusqu’à s’annuler pour une valeur N4 du régime N au-delà de laquelle l’action du démarreur 10 s’arrête. D’autres fonctions décroissantes du régime N peuvent être envisagées pour déterminer la valeur de consigne Ci(N), éventuellement en faisant intervenir la température extérieure Text.

La valeur de la pente en fonction du régime N est ajustée pour que, durant cette deuxième phase, le couple Cd exercé sur l’arbre haute-pression 4 par le démarreur 10 conserve une différence avec le couple résistif Cr permettant d’augmenter le régime N jusqu’au fonctionnement autonome du moteur.

Dans une première variante, on peut reprendre ensuite uniquement les deuxième 102 et cinquième 105 étapes de la première phase, en commandant simplement le démarreur 10 pour respecter cette valeur de consigne Ci(N) jusqu’à l’arrêt du démarreur.

Dans une deuxième variante, on peut reprendre aussi les troisième 103 et quatrième 104 étapes de la première phase, pour limiter la consigne de puissance vers le démarreur obtenue à partir de la consigne de couple Ci (N).

Dans la troisième étape 103 de calcul de limitation de couple, on peut utiliser la même valeur a que celle utilisée lors de la première phase, pour limiter l’accélération induite par le démarreur 10. On peut également prendre un découpage du régime N par plages, comme évoqué pour la première phase, en utilisant une valeur a’, qui peut être plus grande puisque les valeurs du régime N sont plus importantes.

En comparaison avec les courbes L1, L3 de la figure 1, les courbes L4, L5 de la figure 5 illustrent le résultat que l’on peut obtenir pour la même température Text de l’ordre de -40°C, inférieure à Tmin, en appliquant le procédé précédemment décrit.

Dans ce cas, lors de la première phase, la valeur de consigne Ci donnée par la première étape 101 est supérieure à la valeur Cmax fournie par la troisième étape 103 de calcul de limitation de couple, au moins pour les régimes N proches de zéro.

La courbe L4 représentant l’évolution du couple exercé par le démarreur commence donc par une valeur correspondant à l’ajout au couple résistif Cr sur l’arbre haute pression 4, moteur à l’arrêt, d’un sur-couple AC pour l’accélération maximale a autorisée. Ici la courbe L4 correspond à une augmentation régulière du couple Cd exercé par le démarreur 10 jusqu’à une valeur Cd1 maximale à la fin de la première étape. Ici, la deuxième phase correspond à une décroissance du couple Cd exercé par le démarreur 10 suivant sensiblement une rampe en fonction du régime N, jusqu’à une valeur N4 au-delà de laquelle l’action du démarreur 10 s’arrête.

Parallèlement, la courbe L5 montrant l’évolution du couple résistif Cr, illustre le fait que, l’accélération du régime N du corps haute-pression 1 ayant été limitée, il n’y a pas de pic du couple résistif Cr avant la valeur maximale Cr3 atteinte au régime N1 à partir duquel la chambre de combustion 5 est allumée. En d’autres termes, le couple résistif Cr croît continûment en fonction du régime N au moins jusqu’à la valeur de régime N1.

Cette évolution régulière favorise le fait que la valeur maximale Cr3 du couple résistif Cr et la valeur maximale Cd1 du couple Cd exercé par le démarreur 10 sont inférieures respectivement à la valeur C2 du pic résistif et la valeur Cdm du plateau de couple exercé par le démarreur 10 pour passer ce pic dans l’état de l’art. Il est donc possible de diminuer le dimensionnement du démarreur 10.

L’exemple de mise en œuvre du procédé fourni dans la demande n’est pas limitatif. En particulier, il entre dans l’invention tout algorithme de commande permettant au boîtier de commande 12 de réguler le démarreur de façon à limiter l’accélération induite sur le régime moteur N. Par ailleurs, sur l’exemple, l’indication de régime moteur N est fournie directement par une mesure de vitesse de rotation de l’arbre haute-pression 4. D’autres mesures peuvent fournir cette indication, notamment la vitesse de rotation du moteur du démarreur 10. Par ailleurs, pour déterminer les couples résistifs statiques CRe (Text, N) en fonction du régime N et de la température extérieure, il est possible d’utiliser des méthodes n’ayant pas recours à des tables 23 établies empiriquement, par exemple des méthodes faisant appel à des modèles théoriques.

Claims (11)

1. Revendications

   1. Procédé de démarrage par temps froid d’une turbomachine, la turbomachine comportant un moteur thermique comprenant un corps mobile (1) en rotation, le moteur thermique étant agencé pour s’allumer à partir d’une valeur de régime donnée (N1) du régime (N) du corps mobile (1), la turbomachine exerçant un couple résistif (Cr) sur le corps mobile (1) en dessous de ladite valeur de régime donné (N1), procédé dans lequel un démarreur (10) exerce un couple (Cd) sur le corps mobile (1) pour augmenter son régime (N), caractérisé en ce que le procédé comprend :

   - une étape d’ajustement de couple (104) dans laquelle, lorsqu’une indication de température extérieure (Text) à la turbomachine est inférieure à une valeur de température donnée (Tmin), le couple (Cd) exercé par le démarreur (10) est ajusté en le limitant de telle sorte que le régime (N) du corps mobile (1) augmente à partir de zéro, au moins jusqu’à une valeur de régime déterminée, avec une accélération limitée par une valeur (a) déterminée de manière à ce que le couple résistif (Cr) croisse continûment en fonction du régime (N) au moins jusqu’à la valeur de régime donnée (N1), et

   - une étape de calcul de limitation de couple (103) qui détermine une limitation (Cdmax) du couple (Cd) exercé par le démarreur (10) en utilisant une évaluation d’un couple résistif statique (Cre (Text, N)) exercé sur le corps mobile (1) pour chaque régime (N) à ladite température extérieure (Text), ledit couple résistif statique (Cre (Text, N)) correspondant à une valeur établie pour ladite température extérieure (Text) et pour le régime (N) établi du corps mobile (1).
2. 2. Procédé de démarrage d’une turbomachine selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’évaluation de la valeur du couple résistif statique (Cre (Text, N)) est établie par des essais de caractérisation.
3. 3. Procédé de démarrage d’une turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la valeur (a) limitant l’accélération dépend du régime (N) et est croissante avec le régime (N), au moins jusqu’à la valeur de régime donnée (N1 ).
4. 4. Procédé de démarrage d’une turbomachine selon la revendication précédente, comportant une étape (101) définissant une première valeur de consigne (Ci) pour le couple (Cd) exercé par le démarreur (10) et dans lequel l’étape d’ajustement de couple (104) définit une consigne pour le démarreur (10) en prenant le minimum entre ladite valeur de consigne (Ci) et une limitation (Cdmax) du couple (Cd) exercé par le démarreur (10) fournie par l’étape de calcul (103).
5. 5. Procédé de démarrage d’une turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le démarreur (10) est commandé par une régulation de sa source de puissance (i), par exemple électrique, en utilisant une fonction de transfert (F) entre le couple (Cd) exercé et la puissance (i) fournie au démarreur (10) pour appliquer le procédé.
6. 6. Procédé de démarrage d’une turbomachine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le régime du corps mobile est contrôlé par une boucle de régulation comprenant une boucle de régulation imbriquée dans laquelle est réalisée la détermination de la limitation du couple.
7. 7. Procédé de démarrage d’une turbomachine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite valeur déterminée du régime (N) dans l’étape d’ajustement de couple (104) est au moins égale à ladite valeur de régime-donnée (N1) d’allumage du moteur.
8. 8. Système de démarrage d’une turbomachine, la turbomachine comportant un démarreur (10) et un moteur comprenant un corps mobile (1) en rotation, le moteur étant agencé pour fonctionner lorsque le corps mobile (1) tourne à un régime (N) supérieur à une première valeur donnée (N3), comprenant un démarreur (10) et un module électronique (21), ledit module électronique étant agencé pour obtenir en entrée une indication de température extérieure (Text) et une indication de régime (N) du corps mobile (1), et pour commander le démarreur (10) de manière à effectuer un procédé de démarrage selon l’une des revendications 1 à 7.
9. 9. Système de démarrage d’une turbomachine selon la revendication précédente, dans lequel le module électronique (21) comporte des tables (23) définissant une évaluation d’un couple résistif statique (Cre(Text, N)) du corps mobile (1) pour chaque régime (N) à ladite température extérieure (Text), ledit couple résistif statique correspondant à une valeur établie pour ladite température extérieure (Text) et pour le régime (N) établi du corps mobile (1).
10. 10. Système de démarrage d’une turbomachine selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le module électronique (21 ) comprend un premier sous-module calculant pour les indications courantes de régime (N) du corps mobile (1) et de température extérieure (Text), une valeur limite (imax) de la commande (ia) du démarreur (10) correspondant à la limitation (Cdmax) du couple (Cd) exercé par le démarreur (10).
11. 11. Turbomachine comprenant un système de démarrage selon l’une quelconque des revendications 8 à 10.