FR3101918A1 - Procédé de démarrage d’un turbomoteur, Dispositif, turbomoteur, AERONEF et produit programme d’ordinateur - Google Patents

Procédé de démarrage d’un turbomoteur, Dispositif, turbomoteur, AERONEF et produit programme d’ordinateur Download PDF

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Abstract

Procédé de démarrage d’un turbomoteur, dispositif, turbomoteur, aéronef et produit programme d’ordinateur. Le turbomoteur comprend un ensemble comprenant un compresseur et une turbine reliés entre eux par un arbre d’entrainement. Le turbomoteur comprend en outre un moteur électrique propre à entrainer en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine. Le procédé comprend une première étape d’entrainement en rotation du corps haute-pression, à une première vitesse de rotation comprise dans une première plage de vitesses de rotation permettant l’allumage du turbomoteur et une fois que le turbomoteur est allumé, le procédé comprend une deuxième étape d’entrainement en rotation du corps haute-pression, à une seconde vitesse de rotation comprise dans une deuxième plage de vitesses de rotation permettant le démarrage du turbomoteur. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de démarrage d’un turbomoteur, Dispositif, turbomoteur, AERONEF et produit programme d’ordinateur
Domaine technique général et art antérieur
La présente divulgation concerne le domaine général du démarrage de turbomachines. Plus particulièrement la présente divulgation concerne un procédé permettant le démarrage d’un turbomoteur utilisé dans un avion et lorsque ce démarrage a lieu durant le vol de l’avion.
Les turbomachines sont des machines qui permettent de transformer l'énergie cinétique d’un fluide en énergie mécanique (et inversement) par l’intermédiaire d’un ensemble rotatif appelé rotor. La partie statique de la turbomachine est appelé le stator.
Ces turbomachines, en particulier les turbomoteurs sont utilisés pour la motorisation d’avions. Dans ce cadre d’utilisation il est possible que durant le vol, le turbomoteur cesse de fonctionner, ceci pour différentes raisons (par exemple le passage de l’avion dans un orage de pluie ou de grêle ou le dysfonctionnement de l’alimentation en carburant).
Dans le cadre de la certification et pour répondre aux spécifications des avionneurs, le motoriste doit démontrer la capacité du turbomoteur, qu’il conçoit, à pouvoir être remis en fonctionnement, en phase de vol et ceci pour plusieurs altitudes.
Pour rallumer un turbomoteur, après une extinction en vol, il est nécessaire d’entrainer en rotation le corps haute-pression ainsi que la pompe à carburant du turbomoteur. Ceci est nécessaire pour deux raisons :
1. La pompe à carburant est généralement entrainée par le corps haute-pression et elle doit avoir une vitesse de rotation suffisante pour délivrer le débit et la pression de carburant nécessaire à l’allumage de la chambre de combustion du turbomoteur.
2. La chambre de combustion ne peut s’allumer que dans une plage de débits d’air comprise entre un débit d’air minimum et un débit d’air maximum. Si la vitesse de rotation du corps haut-pression n’est pas suffisante, il n’y a pas suffisamment d’air traversant le corps haute-pression et donc la chambre de combustion.
Ainsi la présente divulgation propose un procédé permettant le redémarrage d’un turbomoteur après un arrêt en vol.
Présentation générale de l’invention
Dans ce cadre la présente divulgation, l’invention se propose de résoudre le problème technique du démarrage d’un turbomoteur en proposant en particulier, un procédé, un dispositif, un turbomoteur, un aéronef et un produit programme d’ordinateur aptes à effectuer ce démarrage, notamment en phase de vol.
Il est ainsi proposé, selon un premier mode de réalisation, un procédé de démarrage d’un turbomoteur. Le turbomoteur comprend un ensemble comprenant un compresseur et une turbine reliés entre eux par un arbre d’entrainement. Le turbomoteur comprend un moteur électrique propre à entrainer en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine. Le procédé comprend une première étape d’entrainement en rotation de l’ ensemble comprenant le compresseur et la turbine, à une première vitesse de rotation comprise dans une première plage de vitesses de rotation permettant l’allumage du turbomoteur et une fois que le turbomoteur est allumé, le procédé comprend une deuxième étape d’entrainement en rotation de l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine, à une seconde vitesse de rotation comprise dans une deuxième plage de vitesses de rotation permettant le démarrage du turbomoteur.
Le procédé de démarrage peut être mis en œuvre de la manière suivante.
Dans un mode de réalisation du procédé de démarrage, la première étape d’entrainement comprend une première sous-étape de détermination de la première plage de vitesses de rotation et une deuxième sous-étape de transmission au moteur électrique d’une première consigne de la première vitesse de rotation. De plus la deuxième étape d’entrainement comprend une première sous-étape de détermination de la deuxième plage de vitesses de rotation une deuxième sous-étape de transmission au moteur électrique d’une deuxième consigne de la deuxième vitesse de rotation.
Dans un mode de réalisation du procédé de démarrage, le moteur électrique est alimenté par une batterie.
Dans un mode de réalisation du procédé de démarrage, le moteur électrique est relié au corps haute-pression via un boîtier d'entraînement d’accessoire.
Il est ainsi proposé selon un autre mode de réalisation, un dispositif de démarrage d’un turbomoteur. Le turbomoteur comprend un ensemble comprenant un compresseur et une turbine. Le turbomoteur comprend un moteur électrique propre à entrainer en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine. Le dispositif comprend une unité de traitement qui comprend une entrée pour recevoir des informations représentatives de paramètres du turbomoteur une sortie pour transmettre à des d’entrainement une consigne de vitesse de rotation et/ou de couple une unité de traitement de données. L’unité de traitement de données est configurée pour exécuter une étape de détermination d’une première plage de vitesses de rotation de l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine permettant un allumage du turbomoteur, une étape de transmission au moteur électrique d’une première consigne d’une première vitesse de rotation, la première vitesse de rotation étant comprise dans la première plage. Une fois que le turbomoteur est allumé l’unité de traitement de données est configurée pour exécuter, une étape de détermination d’une deuxième plage de vitesses de rotation de l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine permettant un démarrage du turbomoteur puis une étape de transmission au moteur électrique d’une deuxième consigne d’une deuxième vitesse de rotation, la deuxième vitesse de rotation étant comprise dans la deuxième plage.
Il est ainsi proposé selon un autre mode de réalisation, un turbomoteur. Le turbomoteur comprend un ensemble comprenant un compresseur et une turbine reliés entre eux par un arbre d’entrainement. Le turbomoteur comprend aussi un moteur électrique propre à entrainer en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine pour démarrer le turbomoteur. Le turbomoteur comprend aussi un dispositif de démarrage tel que décrit précédemment.
Le turbomoteur peut présenter les caractéristiques suivantes.
Dans un mode de réalisation le turbomoteur, comprend une batterie pour alimenter le moteur électrique.
Dans un mode de réalisation du turbomoteur le moteur électrique est relié à l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine via une boîte d’engrenages d’accessoires.
Il est ainsi proposé selon un autre mode de réalisation, un aéronef qui comprend un turbomoteur tel que décrit précédemment.
Il est ainsi proposé selon un autre mode de réalisation, un produit programme d’ordinateur. Ce produit programme d’ordinateur comprend des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé de démarrage présenté précédemment.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées :
  • La figure 1 présente de manière schématique un aéronef comprenant un dispositif de démarrage conforme à un mode de réalisation de l’invention.
  • La figure 2 représente de manière schématique des étapes d’un procédé de démarrage d’un turbomoteur conforme à un premier mode de mise en œuvre de l’invention.
  • La figure 2 3 représente de manière schématique des étapes d’un procédé de démarrage d’un turbomoteur conforme à un deuxième mode de mise en œuvre de l’invention.
  • La figure 4 est un diagramme représentant de manière schématique l’effet de l’entrainement en rotation du corps haute-pression sur le débit d’air et le débit de carburant dans la chambre de combustion.
Description d’un ou plusieurs modes de réalisation
La figure 1 représente de manière schématique un aéronef 101. L’aéronef 101 comprend un turbomoteur 102. Le turbomoteur 102 comprend une soufflante 102-a, un corps basse pression 102-b, un corps haute pression 102-c et une chambre de combustion 102-d.
Le corps basse pression comprend un premier ensemble comprenant un compresseur basse pression, une turbine basse pression et un arbre basse pression reliant le compresseur basse pression à la turbine basse pression.
Le corps haute pression comprend un deuxième ensemble comprenant un compresseur haute pression, une turbine haute pression et un arbre haute pression reliant le compresseur haute pression à la turbine basse pression.
Le turbomoteur 102 comprend en outre un arbre radial 102-e et une boîte d’engrenages d’accessoires 103 (ou AGB pour « Accessory Gear Box »).
L’arbre radial 102-e présente une première extrémité propre à raccordée au corps haute pression 102-c, et une deuxième extrémité la boîte d’engrenages 103. Plus précisément, la première extrémité de l’arbre radial est propre à engrener avec l’arbre haute pression par le biais d’un engrenage à pignons coniques. La deuxième extrémité de l’arbre radial est propre à engrener avec un arbre d’entrée de la boîte d’engrenages d’accessoires.
De cette manière, l’arbre radial est entrainé en rotation par l’arbre haute pression lorsque le turbomoteur 102 est en fonctionnement. L’arbre radial entraine ainsi les accessoires qui sont reliés à la boîte d’engrenages d’accessoires.
Par ailleurs, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, le turbomoteur 102 comprend un moteur électrique 104 et une batterie 105. Le moteur électrique 104 est relié au corps haute-pression via la boîte d’engrenages d’accessoires 103.
Le moteur électrique 104 est propre à fonctionner sélectivement comme un démarreur ou comme un générateur.
Lorsqu’il fonctionne comme un démarreur, le moteur électrique 104 est alimenté en énergie électrique par la batterie 105. Dans ce cas, le moteur électrique 104 entraine en rotation l’arbre haute pression, par le biais du boîtier d’engrenages d’accessoires et de l’arbre radial.
Lorsqu’il fonctionne comme un générateur, le moteur électrique 104 est entrainé en rotation par l’arbre haute pression, par le biais de l’arbre radial et du boîtier d’engrenages d’accessoires. Dans ce cas, le moteur électrique 104 génère de l’énergie électrique qui est utilisée pour charger la batterie 105.
L’aéronef comprend aussi un dispositif de démarrage 106. Le dispositif de démarrage 106 est propre à commander le moteur électrique 104 pour qu’il fonctionne sélectivement en mode démarreur ou en mode générateur.
Le dispositif de démarrage 106 comprend une unité de traitement de données programmée pour exécuter des étapes d’un procédé de démarrage du turbomoteur 102. Plus précisément, le dispositif de démarrage 106 est propre à commander le moteur électrique 104 afin de permettre un redémarrage du turbomoteur 102 après un arrêt du turbomoteur 102 en phase de vol de l’aéronef.
A cet effet, l’unité de traitement comprend :
- une entrée pour recevoir des informations représentatives de paramètres du turbomoteur
- une sortie pour transmettre au moteur électrique 104 une consigne de vitesse de rotation et/ou de couple.
Dans un mode de réalisation, l'unité de traitement de données comprend au moins un processeur pour mettre en œuvre un programme d’ordinateur. Ce processeur est couplé à une mémoire pour mémoriser des données. Ce programme d’ordinateur comprend des instructions de code de programme configurées pour mettre en œuvre le procédé de démarrage du turbomoteur.
Les informations représentatives des paramètres du turbomoteur sont par exemple l’augmentation de la température en sortie de chambre de combustion, l’augmentation de la pression, le gradient de la vitesse de rotation du corps haute-pression ou la durée pour atteindre différents régimes de rotation du turbomoteur.
La Figure 2 représente de manière schématique un premier mode de réalisation du procédé de démarrage du turbomoteur 102. Le procédé comprend les étapes générales suivantes:
Selon une première étape 201, le moteur électrique 104 est commandé pour entrainer le deuxième ensemble comprenant le compresseur haute pression et la turbine haute pression en rotation, à une première vitesse de rotation comprise dans une première plage de vitesses de rotation permettant l’allumage du turbomoteur 102.
Par « allumage » du turbomoteur 102, nous entendons la création d’une flamme à l’intérieur de la chambre de combustion du turbomoteur. Cette flamme étant entretenue par les bougies d’allumage du turbomoteur.
Dans un turbomoteur, l’allumage de la chambre de combustion n’est possible que dans une plage de débit d’air minimum / maximum et donc de régime de rotation du corps haute-pression minimum / maximum.
Le moteur électrique 104 est commandé de manière à obtenir une accélération de la rotation du deuxième ensemble comprenant le compresseur haute pression et la turbine haute pression telle qu’elle permette de maintenir la vitesse de rotation du deuxième ensemble comprenant le compresseur haute pression et la turbine haute pression dans la première plage de vitesses de rotation suffisamment longtemps pour obtenir l’allumage du turbomoteur.
Une fois que le turbomoteur 101 est allumé, le procédé de démarrage comprend la deuxième étape suivante.
Selon une deuxième étape 202, le moteur électrique 104 est commandé pour entrainer le deuxième ensemble comprenant le compresseur haute pression et la turbine haute pression en rotation, à une seconde vitesse de rotation comprise dans une deuxième plage de vitesses de rotation permettant le démarrage du turbomoteur 102.
Par « démarrage » du turbomoteur 102, nous entendons le fait de rendre la flamme à l’intérieur de la chambre de combustion auto-entretenue. Ainsi le turbomoteur 102 est démarré lorsque la flamme à l’intérieur de la chambre de combustion n’a plus besoin des bougies d’allumage pour rester allumée.
Une fois la chambre allumée, l’entrainement du corps haute pression doit être suffisant pour assister le couple aérodynamique récupéré par la turbine haute pression et accélérer le moteur jusqu’au régime de ralenti. Cet entrainement doit être régulé afin de réaliser cette opération sans surchauffe, sans extinction, sans stagnation, sans provoquer de décollement tournant dans le compresseur et dans les temps spécifiés.
Ainsi le procédé de démarrage d’un turbomoteur en vol proposé permet un démarrage optimal du turbomoteur en particulier il permet de replacer le moteur dans des conditions thermodynamiques qui lui sont favorables pour l’allumage de la chambre de combustion et d’augmenter la vitesse de rotation du turbomoteur jusqu’à un régime de ralenti.
La figure 3 représente de manière schématique un deuxième mode de réalisation du procédé de démarrage du turbomoteur 102.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la première étape 201 d’entrainement comprend les sous-étapes suivantes :
- selon une première sous-étape 301, l’unité de traitement détermine la première plage de vitesses de rotation ;
- selon une deuxième sous-étape 302, l’unité de traitement transmet au moteur électrique 104 une première consigne pour que le moteur électrique 403 entraine le deuxième ensemble comprenant le compresseur haute pression et la turbine haute pression à la première vitesse de rotation,
La deuxième étape 202 d’entrainement comprend les sous-étapes suivantes :
- selon une première sous-étape 303, l’unité de traitement détermine la deuxième plage de vitesses de rotation ;
- une deuxième sous-étape 304, l’unité de traitement transmet au moteur électrique 104 une deuxième consigne pour que le moteur électrique 403 entraine le deuxième ensemble comprenant le compresseur haute pression et la turbine haute pression à la deuxième vitesse de rotation.
L’effet de l’entrainement en rotation du deuxième ensemble comprenant le compresseur haute pression et la turbine haute pression sur le débit d’air dans la chambre de combustion est illustré figure 4. Sur cette figure, suite à l’arrêt d’un turbomoteur en vol, l’entrainement en rotation du corps haute-pression permet de modifier le débit d’air dans la chambre de combustion afin de ramener le turbomoteur dans le domaine d’allumage.
Le moteur électrique est utilisé pour entrainer en rotation le corps haute-pression. Cet entrainement en rotation permet au débit d’air dans la chambre de combustion d’être compatible dans un premier temps avec l’allumage du turbomoteur, puis dans un second temps lorsque le moteur est allumé d’être compatible avec le démarrage du moteur.
L’utilisation d’un moteur électrique offre différents avantages par rapport à l’utilisation d’autres moyens permettant d’entrainer en rotation le corps haute-pression.
En particulier par rapport à l’utilisation d’une turbine dans laquelle on détend les gaz d’échappement du générateur de puissance auxiliaire (aussi connu sous l’acronyme APU) de l’avion. En effet l’utilisation de cette turbine contraint à ce que le redémarrage du turbomoteur soit tenté dans le domaine de fonctionnement du générateur de puissance auxiliaire et à ce que le générateur de puissance auxiliaire soit actif au moment de l’extinction du moteur. Cette solution impose aussi la présence de canalisations d’air entre le générateur de puissance auxiliaire et la turbine reliée au corps haute-pression du turbomoteur ainsi que la présence d’organes de régulation du flux de gaz entre le générateur de puissance auxiliaire et la turbine.
L’utilisation d’un moteur électrique présente aussi des avantages par rapport à l’utilisation d’une turbine alimentée par un flux de gaz prélevé sur un autre moteur de l’avion. En effet dans cette solution il est également nécessaire d’avoir des canalisations d’air entre la turbine servant au démarrage d’un moteur et les autres moteurs de l’avion. De plus cette solution ne peut, par principe, pas fonctionner dans un avion monomoteur.
En conclusion, un entrainement du corps haute-pression, utilisant une turbine et le flux d’air en provenance d’un autre élément de l’avion pour entrainer en rotation cette turbine, présente les inconvénients suivants :
1. La vitesse de rotation de la turbine, et donc du corps haute-pression est mal maitrisée : degrés de liberté réduits, pas de modulation du couple pendant la manœuvre.
2. La masse du système est importante due aux canalisations et leur calorifugeage ainsi qu’aux organes de régulation du flux d’air entre les différents éléments.
3. Le couple de la turbine et donc la vitesse de rotation maximum du corps haute-pression dépend des performances du générateur de puissance auxiliaire ou de l’autre moteur et en particulier son usure, et les conditions ambiante (température, pression).
Le moteur électrique ne présente pas les inconvénients présentés dans la section précédente.
Cette batterie peut par exemple être chargée par un alternateur entrainé par l’un des turbomoteurs de l’aéronef lors de ses phases de fonctionnement.

Claims (10)

  1. Procédé de démarrage d’un turbomoteur, le turbomoteur comprenant un ensemble comprenant un compresseur et une turbine reliés entre eux par un arbre d’entrainement, le turbomoteur comprenant en outre un moteur électrique (104) propre à entrainer en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine, le procédé comprenant :
    - une première étape (201) selon laquelle le moteur électrique (104) entraine en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine, à une première vitesse de rotation comprise dans une première plage de vitesses de rotation permettant l’allumage du turbomoteur ;
    et une fois que le turbomoteur est allumé, le procédé comprenant :
    - une deuxième étape (202) selon laquelle le moteur électrique (104) entraine en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine, à une seconde vitesse de rotation comprise dans une deuxième plage de vitesses de rotation permettant le démarrage du turbomoteur.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel :
    - la première étape (201) d’entrainement comprend :
    - une première sous-étape (301) de détermination de la première plage de vitesses de rotation ;
    - une deuxième sous-étape (302) de transmission au moteur électrique (104) d’une première consigne de la première vitesse de rotation,
    - la deuxième étape (202) d’entrainement comprend :
    - une première sous-étape (303) de détermination de la deuxième plage de vitesses de rotation ;
    - une deuxième (304) sous-étape de transmission au moteur électrique (104) d’une deuxième consigne de la deuxième vitesse de rotation.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel :
    - le moteur électrique est alimenté par une batterie.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le moteur électrique (104) est relié à l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine via un boîtier d'entraînement d’accessoire (103).
  5. Dispositif de démarrage d’un turbomoteur (106), le turbomoteur (102) comprenant un ensemble comprenant un compresseur et une turbine reliées entre eux par un arbre d’entrainement, le turbomoteur comprenant en outre un moteur électrique (104) propre à entrainer en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine, le dispositif comprenant une unité de traitement comprenant :
    - une entrée pour recevoir des informations représentatives de paramètres du turbomoteur ;
    - une sortie pour transmettre au moteur électrique (104) une consigne de vitesse de rotation et/ou de couple ;
    - une unité de traitement de données configurée pour exécuter les étapes suivantes :
    - une étape (301) de détermination d’une première plage de vitesses de rotation de l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine permettant un allumage du turbomoteur ;
    - une étape (302) de transmission au moteur électrique d’une première consigne d’une première vitesse de rotation, la première vitesse de rotation étant comprise dans la première plage,
    - une fois que le turbomoteur est allumé, une étape (303) de détermination d’une deuxième plage de vitesses de rotation de l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine permettant un démarrage du turbomoteur ;
    - puis une étape (304) de transmission au moteur électrique (104) d’une deuxième consigne d’une deuxième vitesse de rotation, la deuxième vitesse de rotation étant comprise dans la deuxième plage.
  6. Turbomoteur (102) comprenant :
    - un ensemble comprenant un compresseur et une turbine reliés entre eux par un arbre d’entrainement ;
    - un moteur électrique (104) propre à entrainer en rotation l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine pour démarrer le turbomoteur (102);
    - un dispositif de démarrage selon la revendication 5.
  7. Turbomoteur (102) selon la revendication 6, comprenant une batterie (105) pour alimenter le moteur électrique (104).
  8. Turbomoteur (102) selon l’une des revendications 6 ou 7, dans lequel :
    - le moteur électrique (104) est relié à l’ensemble comprenant le compresseur et la turbine via une boîte d’engrenages d’accessoires (103).
  9. Aéronef (101), comprenant :
    - un turbomoteur (102) selon l’une des revendications 6 à 8.
  10. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes du procédé selon l’une des revendications 1 à 4, lorsque ce produit programme est exécuté par au moins une unité de traitement de données.
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