FR3007460A1 - Procede et systeme de demarrage d'une turbomachine d'aeronef par regulation en temps reel de debit d'air. - Google Patents

Procede et systeme de demarrage d'une turbomachine d'aeronef par regulation en temps reel de debit d'air. Download PDF

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Abstract

- Procédé et système de démarrage d'une turbomachine d'aéronef par régulation en temps réel de débit d'air. - Le système de démarrage (1) comporte une boucle de régulation (22) qui régule en temps réel l'ouverture d'une vanne (9) d'une alimentation en air d'une turbine de démarrage (11), en fonction de la vitesse de rotation courante mesurée d'un rotor (2) de la turbomachine (3) et d'une valeur de vitesse prédéterminée, ladite turbine de démarrage (11) étant apte à faire tourner le rotor (2) de la turbomachine (3) en vue du démarrage.

Description

La présente invention concerne un procédé et un système de démarrage d'une turbomachine d'un aéronef, en particulier d'un avion de transport. Elle s'applique à un système de démarrage du type comprenant : - une source de ventilation, notamment une unité de puissance auxiliaire de type APU (« Auxilliary Power Unit » en anglais), qui est apte à générer un débit d'air et qui comporte un compresseur alimenté par un circuit d'admission d'air régulé par au moins une vanne d'entrée commandable ; et - une turbine de démarrage qui est alimentée par ladite source de ventilation via une liaison pneumatique et qui est apte à produire, lorsqu'elle est soumise à un débit de fluide, un effort mécanique permettant de faire tourner un rotor du moteur (turbomachine) de l'aéronef en vue du démarrage. Le moteur est ensuite allumé, de façon usuelle, après injection de carburant dans les éléments appropriés du moteur, qui ont été mis en rotation par le rotor. On sait que, lors d'un cycle d'exploitation d'un avion, notamment d'un avion de transport court-courrier ou moyen-courrier, l'avion se pose sur un aéroport généralement pour faire débarquer les passagers et faire embarquer d'autres passagers avant de partir vers une autre destination. Ce changement de passagers dure généralement entre trente minutes et une heure et trente minutes. Durant ce temps, les moteurs de l'avion, qui sont arrêtés (pour des raisons de sécurité), restent chauds et n'ont pas le temps de refroidir complètement. On estime que, généralement, un moteur est froid après environ une heure et trente minutes d'arrêt. Ainsi, durant le temps d'attente, un gradient thermique au niveau du rotor ou des rotors du moteur provoque la dilatation de certaines aubes et/ou du ou des rotors, qui se déforment (provoquant une réduction du jeu axial ou diamétral par rapport à l'axe de rotation normal de l'aubage, une dilatation des aubes,...).
Lors du redémarrage, si le moteur n'a pas eu le temps de refroidir suffisamment, les extrémités de certaines aubes du rotor risquent de frotter sur le carter ou un aubage va être un peu dévié de son axe de rotation. Ce phénomène appelé rotor arqué (pour « bowed rotor » en anglais) dure jusqu'à ce que la température entre les aubages devienne uniforme du fait du fonctionnement (rotation et réduction des gradients thermiques internes, réalignement des parties tournantes) du moteur. La rotation de parties tournantes non correctement alignées du moteur engendre des vibrations dues au balourd. Ces vibrations deviennent particulièrement nuisibles pour certaines valeurs de la vitesse de rotation des parties tournantes, c'est-à-dire de la vitesse N2 de rotation du rotor de compression (module de haute pression) d'un turboréacteur à double flux. Ceci est surtout le cas pour des valeurs de vitesse N2 se rapprochant de fréquences critiques du moteur, du fait de l'amplification particulière des frottements rotor/stator au voisinage des résonances vibratoires. Le phénomène précité provoque une augmentation sensible de la consommation de carburant en raison d'une perte d'efficacité aérodynamique notamment de différents éléments du moteur, et ceci de manière irréversible (usure des extrémités des aubes).
La présente invention a pour objet d'empêcher (ou tout au moins de limiter) de telles vibrations très pénalisantes dues au balourd. Elle concerne un procédé de démarrage d'une turbomachine d'aéronef, à l'aide d'un système de démarrage comprenant au moins : - une source de ventilation apte à générer un débit d'air et pourvue d'un compresseur alimenté par un circuit d'admission d'air régulé par au moins une vanne d'entrée, ladite vanne d'entrée étant apte à être commandée ; et - au moins une turbine de démarrage alimentée par ladite source de ventilation via une liaison pneumatique, ladite turbine de démarrage étant apte à produire, lorsqu'elle est soumise à un débit d'air, un effort mécanique permettant de faire tourner un rotor de la turbomachine en vue du démarrage.
Selon l'invention, ledit procédé comprend les deux étapes successives suivantes, mises en oeuvre de façon automatique et répétitive, pour réaliser une régulation en temps réel de l'ouverture de ladite vanne d'entrée : - une première étape de détermination d'un ordre de commande de vanne, comprenant : - une première sous-étape de mesure de la vitesse de rotation du rotor de la turbomachine ; - une seconde sous-étape de comparaison de la vitesse de rotation mesurée du rotor à une valeur de vitesse prédéterminée (vitesse de consigne) ; et - une troisième sous-étape de calcul d'un ordre de commande de vanne à partir du résultat de cette comparaison ; et - une seconde étape de commande de l'ouverture de ladite vanne d'entrée conformément audit ordre de commande de vanne. Ainsi, grâce à l'invention, tout au long de la phase de démarrage mise en oeuvre à l'aide dudit système de démarrage, on réalise une régulation en temps réel de l'ouverture de ladite vanne d'entrée en fonction de la vitesse de rotation courante mesurée du rotor, ce qui permet d'ajuster ladite vitesse de rotation pour empêcher les phénomènes précités, et notamment pour éviter les fréquences critiques précitées. En effet, cette régulation de la vanne d'entrée d'air régule l'alimentation d'air de la source de ventilation et, par conséquent, le débit d'air fourni par cette dernière à la turbine de démarrage qui génère la rotation du rotor et gère sa vitesse de rotation. Ainsi, la présente invention permet de remédier à l'inconvénient indiqué ci-dessus et d'empêcher (ou tout au moins de limiter) les vibrations très pénalisantes dues au balourd, en évitant de rencontrer des fréquences critiques du moteur (turbomachine) au moins tant qu'un phénomène de type « rotor arqué » significatif subsiste.
La boucle de régulation permet donc que la vitesse de rotation du rotor suive ladite valeur de vitesse prédéterminée. Cette valeur de vitesse prédéterminée peut être une valeur constante ou, de préférence, une valeur variant en fonction du temps. Dans un mode de réalisation particulier, ladite valeur de vitesse prédéterminée est une valeur dépendant du temps et présentant deux paliers successifs à deux vitesses de rotation prédéterminées, la vitesse de rotation du premier palier étant plus faible que celle du second palier. En outre, dans un mode de réalisation préféré, ladite turbomachine est un turboréacteur à double flux, et ladite vitesse de rotation est la vitesse N2 de rotation du rotor de compression du module de haute pression de ce turboréacteur à double flux. La présente invention concerne également un système de démarrage d'une turbomachine d'aéronef.
Selon l'invention, ledit système de démarrage du type comprenant : - une source de ventilation apte à générer un débit d'air et pourvue d'un compresseur alimenté par un circuit d'admission d'air régulé par au moins une vanne d'entrée, ladite vanne d'entrée étant apte à être commandée ; - au moins une turbine de démarrage alimentée par ladite source de ventilation via une liaison pneumatique, ladite turbine de démarrage étant apte à produire, lorsqu'elle est soumise à un débit d'air, un effort mécanique permettant de faire tourner un rotor de la turbomachine en vue du démarrage ; et - un système de commande apte à commander au moins ladite vanne d'entrée, est remarquable en ce qu'il comporte une boucle de régulation de l'ouverture de ladite vanne d'entrée, comprenant au moins un capteur configuré pour mesurer la vitesse de rotation courante du rotor, ainsi que ledit système de commande configuré pour déterminer un ordre de commande de vanne, en fonction de la vitesse de rotation mesurée du rotor et d'une valeur de vitesse prédéterminée, et pour commander l'ouverture de ladite vanne d'entrée conformément audit ordre de commande de vanne. Ainsi, grâce à l'invention, le système de démarrage comprend une boucle de régulation qui réalise tout au long de la phase de démarrage mise en oeuvre à l'aide dudit système de démarrage, une régulation en temps réel de l'ouverture de la vanne d'entrée en fonction de la vitesse de rotation courante mesurée du rotor, ce qui permet de commander de façon appropriée et souhaitée ladite vitesse de rotation, en particulier pour empêcher les phénomènes précités, et notamment pour éviter de rencontrer les fréquences critiques de la turbomachine tant qu'un balourd significatif existe. Dans un mode de réalisation préféré, ledit système de commande comprend une première et une seconde unités de commande reliées ensemble, ladite première unité de commande est configurée pour recevoir des données, réaliser des traitements et transmettre une information de commande à ladite seconde unité de commande, et ladite seconde unité de commande est configurée pour commander l'ouverture de ladite vanne d'entrée en fonction de l'information de commande reçue de ladite première unité de commande. La présente invention concerne également une turbomachine d'aéronef pourvue d'un rotor, en particulier un turboréacteur à double flux, qui comporte un système de démarrage tel que celui décrit ci-dessus. L'unique figure du dessin annexé fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Cette figure unique est le schéma synoptique d'un système de démarrage d'une turbomachine, qui illustre un mode de réalisation de l'invention. Le système de démarrage 1 illustrant l'invention et représenté schématiquement sur la figure est destiné à mettre en rotation un rotor 2 d'une turbomachine 3 d'un aéronef, en vue du démarrage de la turbomachine 3.
Dans un mode de réalisation préféré, ladite turbomachine 3 est un turboréacteur d'aéronef à double flux. De façon usuelle et générale, un tel turboréacteur comprend : - un attelage haute pression 4 pourvu d'un compresseur haute pression 4A et d'une turbine haute pression 4B reliés ensemble par l'intermédiaire de l'axe 2A dudit rotor 2 ; et - un attelage basse pression 5 pourvu d'un compresseur basse pression 5A et d'une turbine basse pression 5B. Ledit système de démarrage 1 est du type comprenant : - une source de ventilation 6, à savoir une unité de puissance auxiliaire de type APU (« Auxilliary Power Unit » en anglais) dans l'exemple de la figure 1. Cette source de ventilation 6 est apte à générer un débit d'air et comporte un compresseur 7 usuel (non décrit davantage), qui est alimenté par un circuit d'admission d'air 8 régulé par au moins une vanne d'entrée 9 commandable, par exemple de type IGV (« Inlet Guide Vane » en anglais). La source de ventilation 6 est mise en fonctionnement, de façon usuelle, par le pilote avant qu'il déclenche la procédure de mise en route du moteur (turbomachine 3) ; et - un dispositif de démarrage 10 comprenant une turbine de démarrage 11 qui est alimentée par ladite source de ventilation 6 via une liaison pneumatique (tuyau) 12. Cette liaison pneumatique 12 comprend au moins une vanne de démarrage 13 commandable, par exemple une vanne démarreur de type SAV (pour « Starter Air Valve » en anglais), qui est agencée en amont de la turbine de démarrage 11 (dans le sens d'écoulement de l'air, indiqué par des flèches sur la liaison 12 de la figure 1). La turbine de démarrage 11 est apte à produire, lorsqu'elle est soumise à un débit d'air (provenant de la source de ventilation 6), un effort mécanique (illustré par une flèche 14 sur la figure 1) permettant de faire tourner le rotor 2 de la turbomachine 3 comme illustré par une flèche 15, afin de le mettre en route. Cette rotation du rotor 2 (le rotor haute pression du moteur) permet, de façon usuelle, de comprimer l'air qui parvient dans la chambre de combustion du moteur. Le moteur est ensuite allumé, par injection de carburant dans la chambre de combustion, et par inflammation du mélange air/carburant. Ledit système de démarrage 1 comprend, de plus, un système de commande 16 apte à commander notamment ladite vanne d'entrée 9. Dans le mode de réalisation de la figure 1, ce système de commande 16 comprend deux unités de commande 17 et 18 reliées ensemble, par l'intermédiaire d'une liaison 19. L'unité de commande 18, notamment une unité de contrôle moteur de type ECU (« Engine Control Unit » en anglais), est destinée en particulier à commander ladite vanne de démarrage 13 via une liaison 20. De façon usuelle et générale, une unité de commande 18 de type ECU est un calculateur dédié au fonctionnement du moteur qui commande des actionneurs dans le moteur pour le contrôler, via des signaux envoyés par des capteurs du moteur et de l'aéronef, et des commandes du pilote. Cette unité de commande 18 est notamment configurée pour recevoir des données, réaliser des traitements et transmettre une information de commande à l'unité de commande 17. Ladite unité de commande 17, notamment un régulateur électronique de type ECB (« Electronic control board » en anglais), est configurée, quant à elle, pour commander l'ouverture de la vanne d'entrée 9 en fonction de l'information de commande reçue de ladite unité de commande 18. Cette information de commande prend la forme d'un indicateur. Selon l'invention, ledit système de démarrage 1 comporte une boucle de régulation 22 destinée à réguler en temps réel l'ouverture de ladite vanne d'entrée 9. Cette boucle de régulation 22 comprend : - au moins un capteur usuel 23 qui est configuré pour mesurer en temps réel la vitesse de rotation courante du rotor 2; et - un élément de traitement 25 qui est de préférence intégré dans l'unité de commande 18, qui est relié par l'intermédiaire d'une liaison 24 audit capteur 23 et qui est formé de manière à déterminer en temps réel un ordre de commande de vanne, en fonction de la vitesse de rotation mesurée du rotor 2 et d'une valeur de vitesse prédéterminée souhaitée. Cet ordre de commande de vanne est transmis de l'unité de commande 18 à l'unité de commande 17 qui commande l'ouverture de ladite vanne d'entrée 9 conformément audit ordre. La boucle de régulation 22 est ajustée pour répondre aux critères usuels de stabilité, de temps de réponse, et de précision propres à tout système régulé. Cette régulation en temps réel de la vanne d'entrée 9, mise en oeuvre à l'aide de la boucle de régulation 22, régule l'alimentation d'air de la source de ventilation 6 et, par conséquent, le débit d'air fourni par cette dernière à la turbine de démarrage 11 qui génère la rotation du rotor 2 et gère sa vitesse de rotation. L'ordre de commande de vanne (transmis à l'unité de commande 17) a donc pour but d'ajuster l'ouverture de la vanne d'entrée 9 pour ajuster la vitesse de rotation courante et la faire correspondre à ladite valeur de vitesse prédéterminée. La vanne d'entrée 9 destinée à réguler le circuit d'admission d'air 8 peut être réalisée de différentes manières et permet de réguler la quantité d'air qui circule dans le tuyau 12. Son angle d'ouverture est ajusté avec précision par un actionneur, ledit angle d'ouverture pouvant être piloté dans toute la plage disponible. Cet angle d'ouverture est contrôlé par l'unité de commande 17.
De plus, par une modification progressive de l'angle d'ouverture de la vanne d'entrée 9 (dans le sens d'une ouverture plus importante ou dans le sens d'une fermeture plus importante), on obtient une variation du débit d'alimentation d'air permettant d'obtenir une modification progressive de la vitesse de rotation N2 du rotor 2.
Ledit système de démarrage 1 permet de mettre en oeuvre un procédé particulier de mise en rotation du rotor 2 et de démarrage de la turbomachine 3. Selon l'invention, ce procédé comprend les deux étapes successives suivantes, qui sont mises en oeuvre de façon automatique et répétitive tout au long de la phase de démarrage, pour réaliser une régulation en temps réel de l'ouverture de ladite vanne d'entrée 9: - une première étape de détermination d'un ordre de commande de vanne, comprenant des sous-étapes : - de mesure de la vitesse de rotation du rotor 2 de la turbomachine 3; - de comparaison de la vitesse de rotation mesurée du rotor 2 à une valeur de vitesse prédéterminée ; et - de calcul d'un ordre de commande de vanne à partir du résultat de cette comparaison ; et - une seconde étape de commande de l'ouverture de ladite vanne d'entrée 9 conformément audit ordre de commande de vanne. Ainsi, grâce à l'invention, tout au long de la phase de démarrage, mise en oeuvre à l'aide dudit système de démarrage 1, la boucle de régulation 22 réalise une régulation en temps réel de l'ouverture de ladite vanne d'entrée 9 en fonction de la vitesse de rotation courante mesurée du rotor 2, ce qui permet de commander de façon appropriée ladite vitesse de rotation, notamment pour éviter les fréquences critiques précitées. La boucle de régulation 22 permet que la vitesse de rotation suive ladite valeur de vitesse prédéterminée. Cette valeur de vitesse prédéterminée peut être une valeur constante ou, de préférence, une valeur variant en fonction du temps. Dans un mode de réalisation particulier, ladite valeur de vitesse prédéterminée est une valeur dépendant du temps et présentant deux paliers successifs à deux vitesses de rotations prédéterminées, la vitesse de rotation du premier palier étant plus faible que la vitesse de rotation du second palier (qui correspond de préférence à une vitesse maximale).
Pour contrôler la vitesse N2 pendant la ventilation, générée par le système 1, l'unité de commande 18 compare donc (à l'aide de l'élément de traitement 25) la vitesse N2 mesurée à la vitesse N2c souhaitée, et envoie un signal (ou information de commande) à l'unité de commande 17 indiquant si la quantité d'air fournie par la source de ventilation 6 doit être réduite (pour faire décroître N2) ou augmentée (pour faire croître N2). En fonction de la valeur de ce signal reçu de l'unité de commande 18, l'unité de commande 17 ajuste la position de la vanne d'entrée 9. A titre d'illustration simplifiée de la boucle de régulation 22, le signal envoyé par l'unité de commande 17 pourrait prendre des valeurs discrètes V1, V2, ou V3, qui sont telles que : - la valeur V1 indique que la quantité d'air fournie par la source de ventilation 6 est correcte. Dans ce cas, l'unité de commande 18 confirme que la consigne de vitesse N2c est respectée et l'unité de commande 17 maintient la position courante de la vanne d'entrée 9; - la valeur V2 indique que la quantité d'air fournie est insuffisante. Dans ce cas, l'unité de commande 18 constate que la consigne de vitesse N2c n'a pas encore été atteinte, et l'unité de commande 17 augmente l'ouverture de la vanne d'entrée 9; et - la valeur V3 indique que la quantité d'air fournie est trop importante. Dans ce cas, l'unité de commande 18 constate que la consigne de vitesse N2c est dépassée, et l'unité de commande 17 diminue l'ouverture de la vanne d'entrée 9.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de démarrage d'une turbomachine d'aéronef, à l'aide d'un système de démarrage (1) comprenant au moins : - une source de ventilation (6) apte à générer un débit d'air et pourvue d'un compresseur (7) alimenté par un circuit d'admission d'air (8) régulé par au moins une vanne d'entrée (9), ladite vanne d'entrée (9) étant apte à être commandée ; et - au moins une turbine de démarrage (11) alimentée par ladite source de ventilation (6) via une liaison pneumatique (12), ladite turbine de démarrage (11) étant apte à produire, lorsqu'elle est soumise à un débit d'air, un effort mécanique permettant de faire tourner un rotor (2) de la turbomachine (3) en vue du démarrage, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les deux étapes successives suivantes, mises en oeuvre de façon automatique et répétitive, pour réaliser une régulation en temps réel de l'ouverture de ladite vanne d'entrée (9) : - une première étape de détermination d'un ordre de commande de vanne, comprenant : - une première sous-étape de mesure de la vitesse de rotation du rotor (2) de la turbomachine (3) ; - une seconde sous-étape de comparaison de la vitesse de rotation mesurée du rotor (2) à une valeur de vitesse prédéterminée ; et - une troisième sous-étape de calcul d'un ordre de commande de vanne à partir du résultat de cette comparaison ; et - une seconde étape de commande de l'ouverture de ladite vanne d'entrée (9) conformément audit ordre de commande de vanne.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur de vitesse prédéterminée est une valeur dépendant du temps et présentant deux paliers successifs à deux vitesses de rotation prédéterminées, la vitesse de rotation du premier palier étant plus faible que celle du second palier.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite turbomachine (3) est un turboréacteur à double flux et en ce que ladite vitesse de rotation est la vitesse de rotation du rotor de haute pression dudit turboréacteur à double flux.
  4. 4. Système de démarrage d'une turbomachine d'aéronef, ledit système de démarrage (1) comprenant : - une source de ventilation (6) apte à générer un débit d'air et pourvue d'un compresseur (7) alimenté par un circuit d'admission d'air (8) régulé par au moins une vanne d'entrée (9), ladite vanne d'entrée (9) étant apte à être commandée ; - au moins une turbine de démarrage (11) alimentée par ladite source de ventilation (6) via une liaison pneumatique (12), ladite turbine de démarrage (11) étant apte à produire, lorsqu'elle est soumise à un débit d'air, un effort mécanique permettant de faire tourner un rotor (2) de la turbomachine (3) en vue du démarrage ; et - un système de commande (16) apte à commander au moins ladite vanne d'entrée (9), caractérisé en ce qu'il comporte une boucle (22) de régulation de l'ouverture de ladite vanne d'entrée (9), comprenant au moins un capteur (23) configuré pour mesurer la vitesse de rotation courante du rotor (2), ainsi que ledit système de commande (16) configuré pour déterminer un ordre de commande de vanne, en fonction de la vitesse de rotation mesurée du rotor (2) et d'une valeur de vitesse prédéterminée, et pour commander l'ouverture de ladite vanne d'entrée (9) conformément audit ordre de commande de vanne.
  5. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit système de commande (16) comprend une première et une seconde unités de commande (17, 18) reliées ensemble, en ce que ladite première unité de commande (18) est configurée pour recevoir des données, réaliser des traitements et transmettre une information de commande à ladite seconde unité de commande (17), et en ce que laditeseconde unité de commande (17) est configurée pour commander l'ouverture de ladite vanne d'entrée (9) en fonction de l'information de commande reçue de ladite première unité de commande (18).
  6. 6. Turbomachine d'aéronef pourvue d'un rotor, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de démarrage (1) selon l'une des revendications 4 et 5.
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