Brevet FR3076322A1 — publié le 20190705

Procede et dispositif de demarrage pour une turbomachine par temps froid Domaine de ('invention : La presente invention se rapporte au domaine des turbomachines, en particulier d'aeronef. Plus precisement, ('invention concerne le demarrage des turbomachines par temps froid, et plus particulierement par temps tres froid, typiquement par des temperatures inferieures a -10°C. Etat de la technique : Generalement, un demarreur utilisant de l'energie exterieure, electrique ou pneumatique par exemple, fournit un couple qui entraine le corps haute-pression de la turbomachine afin de lui permettre d'atteindre un regime suffisant pour allumer la chambre de combustion. Lors d'un demarrage par des temperatures qui ne sont pas tres froides, typiquement superieures a -10°C, En reference a la figure 1, la valeur absolue du couple Cd fourni sur l'arbre du corps haute-pression par le demarreur suit generalement la courbe L1, correspondant au fait que l'on commande le demarreur pour qu'il fournisse le couple maximal Cdm pour lequel it a ete dimensionne jusqu'a ce que la vitesse de rotation N du corps haute-pression atteigne sensiblement une valeur N1 permettant de lancer la phase d'allumage 00 la chambre de combustion du moteur est allumee. A partir de cet instant, la vitesse de rotation du corps haute-pression continue d'augmenter jusqu'a ce que le moteur atteigne un regime stable de fonctionnement. La courbe L1 de variation du couple Cd fourni par le demarreur peut alors decroitre, par exemple selon une loi lineaire en fonction de la vitesse de rotation N du corps hautepression qui est adaptee pour accompagner la montee en puissance du moteur jusqu'a ce qu'il fournisse un couple moteur. La turbomachine exerce sur l'arbre du corps haute-pression un couple resistif, c'esta-dire s'opposant au mouvement de rotation du corps haute-pression, qui est principalement imputable aux elements en contact avec des fluides dont la viscosite varie fortement avec la temperature, notamment de l'huile de lubrification ou encore du fluide pour circuit hydraulique d'avion. Ces elements sont principalement constitues par 2 les roulements et les organes de pompage, notamment les pompes a huile du moteur ou encore la pompe hydraulique avion. Tant que la temperature exterieure reste >, les temperatures dites > etant ici considerees comme n'etant pas Yes froides, typiquement 5 superieures a -10°C, on constate qu'avant l'allumage, la turbomachine exerce sur l'arbre du corps haute-pression un couple resistif Cr qui suit la courbe L2 et qui augmente avec la vitesse de rotation N du corps haute-pression jusqu'a un maximum Cr1 lorsque cette vitesse atteint la valeur N1 d'allumage du moteur. Ensuite, le couple resistif Cr diminue regulierement jusqu'a s'annuler a une valeur N3 du regime, puis devient un couple 10 moteur au-dela. Par contre, lors d'un demarrage par temps Yes froid, le fluide se trouvant dans les roulements et dans les organes de pompage reste fige et conduit a une forte augmentation du couple resistif. On peut donc constater des difficultes pour demarrer des turbomachines d'aeronef lorsque la temperature ambiante est inferieure a -10°C, et 15 a fortiori des difficultes importantes lorsque la temperature ambiante se situe entre - 30°C et -50°C, notamment apres un temps d'immobilisation important. On remarque dans ce cas, que les moteurs de turbomachine resistent generalement Yes fortement a ('effort developpe par le demarreur en debut de phase de demarrage. Par exemple, comme illustre sur la figure 1 pour une temperature exterieure de -40°C, 20 en reponse a une sollicitation du demarreur dont le couple Cd suit la courbe L1, le couple resistif Cr suit alors la courbe L3, qui presente un pic de valeur Cr2 pour une valeur N2 de la vitesse de rotation du corps haute-pression nettement inferieure a la vitesse de rotation N1 d'allumage, correspondant a une deuxieme valeur maximale Cr'1, avant que le couple resistif Cr ne decroisse apres l'allumage. 25 D'une maniere generale, les maxima Cr2 et Cr'1 sont plus importants que la valeur maximale Cr1 atteinte a des temperatures >. Le demarreur est donc dimensionne pour que le couple Cdm fourni pendant la premiere partie de la courbe L1 soit superieur au maximum atteint par le couple resistif Cr a temperature Yes froide, ici Cr2, augmentee d'une valeur AC pour entrainer le moteur. 30 Dans certaines applications, le pic Cr2 de valeur du couple resistif a faible vitesse N2 de rotation peut etre tits important. II implique alors une augmentation du 3 dimensionnement de la chaine de demarrage (qui comprend notamment, le demarreur mais aussi des engrenages et l'arbre d'entrainement du corps haute-pression), qui est tres importante par rapport aux conditions de temperatures >. Cela devient penalisant en termes de masse et de volume pour les elements de la chaine de 5 demarrage. Cela entraine aussi une augmentation des sollicitations en fatigue sur toute la chaine de transmission. II est connu du document FR-A1-3025252, un procede permettant de maitriser le couple exerce par le demarreur en fonction de la vitesse de rotation d'une turbine du moteur de sorte que le demarrage du moteur soit plus robuste quel que soit 10 l'environnement dans lequel evolue l'aeronef equipe du moteur. Cependant, ce procede n'est pas optimal pour eviter un pic de valeur du couple resistif (tel que le pic Cr2 susmentionne) a faible vitesse dans le cadre d'un demarrage par temperature exterieure tres froide. II est egalement connu du document US-A-5051670, un procede permettant de 15 reguler le couple exerce par le demarreur selon une courbe croissante et decroissante, par le controle de la densite de flux de l'entrefer. La reduction du couple sur la partie initiale du demarrage de la turbomachine a notamment pour objectif de permettre ('utilisation d'un demarreur de type starter/generateur, sans risquer de casser les engrenages par un couple excessif. Cependant, ce procede n'est pas adapte pour 20 eviter un pic de valeur du couple resistif (tel que le pic Cr2 susmentionne) a faible vitesse dans le cadre d'un demarrage par temperature exterieure tres froide. L'invention a donc pour but de proposer une solution permettant de repondre aux nouveaux besoins operationnels des turbomachines, notamment a bas regime, ainsi qu'aux objectifs de securite et qui soit suffisamment flexible pour pouvoir s'adapter 25 facilement au comportement de la turbomachine. Presentation de ('invention : A cet effet, ('invention concerne un procede de demarrage par temps froid d'une turbomachine, la turbomachine comportant un moteur thermique comprenant un corps 30 mobile en rotation, le moteur thermique etant agence pour s'allumer a partir d'une valeur de regime donnee du regime du corps mobile, la turbomachine exergant un couple 4 resistif sur le corps mobile en dessous de ladite valeur de regime donnee, procede dans lequel un demarreur exerce un couple sur le corps mobile pour augmenter son regime, caracterise en ce que le procede comprend : - une etape d'ajustement de couple dans laquelle, lorsqu'une indication de 5 temperature exterieure a la turbomachine est inferieure a une valeur de temperature donnee, le couple exerce par le demarreur est ajuste en le limitant de telle sorte que le regime du corps mobile augmente a partir de zero, au moins jusqu'a une valeur de regime determinee, avec une acceleration limitee par une valeur determinee de maniere a ce que le couple resistif croisse continument en 10 fonction du regime au moins jusqu'a la valeur de regime donnee, et - une etape de calcul de limitation de couple qui determine une limitation du couple exerce par le demarreur en utilisant une evaluation d'un couple resistif statique exerce sur le corps mobile pour chaque regime a ladite temperature exterieure, ledit couple resistif statique correspondant a une valeur etablie pour ladite 15 temperature exterieure et pour le regime etabli du corps mobile. Comme mentionne en introduction, la source du premier maximum de couple resistif est principalement due aux elements en contact avec des fluides dont la viscosite varie fortement avec la temperature, principalement l'huile de lubrification ou des fluides hydrauliques. Ces elements sont principalement les roulements et les organes de 20 pompage. Lors d'un demarrage par temps tres froid, le fluide restant dans les roulements et les organes de pompage est fige et s'oppose au mouvement des parties tournantes. Cette augmentation du couple resistif est d'autant plus importante que ('acceleration sur les parties mobiles est grande. La temperature donnee en dessous de laquelle on applique le procede correspond 25 de preference a la limite haute de temperatures tres froides ou ces phenomenes apparaissent. En commandant le demarreur de telle sorte que ('acceleration en regime soit limitee, en particulier pour les faibles valeurs de regime ou l'effet de ('acceleration sur le couple resistif est importante, on limite les effets precedemment cites de la viscosite des fluides et on peut limiter le pic de pression a passer, donc le couple que 30 doit fournir le demarreur. Cela permet de diminuer les contraintes de dimensionnement de la chaine de demarrage de la turbomachine. 5 Le couple resistif statique, tel que Mini, ne subit pas les augmentations liees aux accelerations. II permet de determiner un minimum de couple a depasser pour mettre en mouvement le corps mobile du moteur. A chaque instant du processus, des lors que le couple exerce est superieur au couple resistif statique d'une certaine quantite, on est 5 assure d'exercer un couple suffisant pour accelerer le corps mobile selon une acceleration maitrisee qui est fonction de la quantite de couple exercee au-dessus de la valeur du couple resistif statique. Comme on limite cette quantite de couple supplementaire exercee par rapport audit couple resistif statique, racceleration obtenue reste inferieure a la borne fixee. 10 Suivant une caracteristique de l'invention, revaluation de la valeur du couple resistif statique est etablie par des essais de caracterisation. De preference, mais de maniere non !imitative, la valeur limitant racceleration depend du regime et est croissante avec le regime, au moins jusqu'a la valeur de regime donnee. 15 En prenant la plus faible valeur d'acceleration au tout debut du demarrage, on limite les effets dus a ('adhesion du fluide fige dans les roulements a rarret. Dans un mode de realisation particulier, le procede comporte une etape definissant une premiere valeur de consigne pour le couple exerce par le demarreur, et dans lequel retape d'ajustement de couple definit une consigne pour le demarreur en prenant le 20 minimum entre ladite valeur de consigne et une limitation du couple exerce par le demarreur fournie par retape de calcul. Ce mode de realisation permet d'utiliser un module existant pour realiser la premiere etape. On peut donc mettre en ceuvre le procede en ajoutant a un module existant, ne prenant pas les phenomenes cites, des modules effectuant une limitation de consigne 25 permettant d'eviter les pics de couple resistif. Avantageusement, le demarreur est commande par une regulation de sa source de puissance, par exemple electrique, en utilisant une fonction de transfert entre le couple exerce et la puissance fournie au demarreur pour appliquer le procede. Suivant une caracteristique de l'invention, le regime du corps mobile est controle par 30 une boucle de regulation comprenant une boucle imbriquee dans laquelle est realisee la 6 determination de la limitation du couple. En d'autres termes, le controle en vitesse du moteur comprend un limiteur en couple sur une boucle imbriquee. Avantageusement, ladite valeur de regime determinee du regime dans l'etape d'ajustement de couple est au moins egale a ladite valeur de regime donnee d'allumage 5 du moteur. De cette maniere, le couple exerce par le demarreur et le couple resistif augmentent chacun progressivement du debut du demarrage jusqu'a ce que le regime atteigne ladite valeur de regime donnee, sans pic intermediaire. Dans une deuxieme phase, le couple exerce par le demarreur peut decroitre progressivement pour faire monter le 10 regime jusqu'a une deuxieme valeur determinee du regime, pour laquelle le moteur fonctionne de maniere autonome et ('action du demarreur est arretee. L'etape d'ajustement peut etre effectuee egalement dans la deuxieme phase, jusqu'a la deuxieme valeur determinee du regime. L'invention concerne aussi un systeme de demarrage d'une turbomachine, la 15 turbomachine comportant un demarreur et un moteur comprenant un corps mobile en rotation, le moteur etant agence pour fonctionner lorsque le corps mobile tourne a un regime superieur a une premiere valeur donnee, comprenant un demarreur et un module electronique, ledit module electronique etant agence pour obtenir en entrée une indication de temperature exterieure et une indication de regime du corps mobile, et 20 pour commander le demarreur de maniere a effectuer un procede de demarrage tel que decrit precedemment. Avantageusement, le module electronique comporte des tables definissant une evaluation d'un couple resistif statique du corps mobile pour chaque regime a ladite temperature exterieure, ledit couple resistif statique correspondant a une valeur etablie 25 pour ladite temperature exterieure et pour le regime etabli du corps mobile. Le module electronique peut comprendre un premier sous-module calculant pour les indications courantes de regime du corps mobile et de temperature exterieure, une valeur limite de la commande du demarreur correspondant a la limitation du couple exerce par le demarreur. 30 Le module electronique peut comprendre un deuxieme sous-module calculant une commande du demarreur sans tenir compte de la temperature et un troisieme sous- 7 module limitant cette commande en sortie par la valeur limite fournie par le premier sous-module electronique. L'invention concerne egalement une turbomachine comprenant un tel systeme de demarrage. 5 Breve description des figures : La presente invention sera mieux comprise et d'autres details, caracteristiques et avantages de la presente invention apparaitront plus clairement a la lecture de la description d'un exemple non limitatif qui suit, en reference aux dessins annexes sur 10 lesquels : - la figure 1 presente des evolutions de couples exerces par le demarreur et la turbomachine sur un arbre moteur lors d'une phase de demarrage effectuee selon l'art anterieur ; - la figure 2 presente un schema de principe d'une turbomachine utilisant un 15 procede de demarrage selon l'invention ; - la figure 3 presente un diagramme des principales etapes d'un mode de realisation d'un procede selon l'invention pour le demarrage d'une turbomachine; - la figure 4 presente un diagramme detaillant la troisieme sous-etape dans le 20 diagramme de la figure 3 ; et - la figure 5 presente des evolutions de couples exerces par le demarreur et la turbomachine sur un arbre moteur lors d'une phase de demarrage effectuee selon l'invention. Les composants ayant les memes fonctions dans ces deux exemples ont les memes 25 references. Description detainee : En reference a la figure 2, le moteur d'une turbomachine comprend generalement un compresseur 2, une turbine 3 et une chambre de combustion 5. Le compresseur 2 et la 30 turbine 3 solidaires en rotation, sont ici relies par un arbre haute-pression 4, ('ensemble formant le corps haute-pression 1 tournant a un regime ou vitesse de rotation N donne. 8 Generalement, la turbomachine elle-meme comprend de plus un corps basse-pression et des elements propulseurs, non representes sur la figure 1. La turbomachine comprend generalement, en outre, un boitier de relais d'accessoires 7, egalement appele AGB pour REVENDICATIONS1. Procede de demarrage par temps froid d'une turbomachine, Ia turbomachine component un moteur thermique comprenant un corps mobile (1) en rotation, le moteur thermique etant agence pour s'allumer a partir d'une valeur de regime donnee (N1) du regime (N) du corps mobile (1), Ia turbomachine exergant un couple resistif (Cr) sur le corps mobile (1) en dessous de ladite valeur de regime donne (N1), procede dans lequel un dernarreur (10) exerce un couple (Cd) sur le corps mobile (1) pour augmenter son regime (N), caracterise en ce que le procede comprend : - une etape d'ajustement de couple (104) dans laquelle, lorsqu'une indication de temperature exterieure (Text) a Ia turbomachine est inferieure a une valeur de temperature donnee (Tmin), le couple (Cd) exerce par le demarreur (10) est ajuste en le limitant de telle sorte que le regime (N) du corps mobile (1) augmente a partir de zero, au moins jusqu'e une valeur de regime determinee, avec une acceleration limitee par une valeur (a) determinee de maniere a ce que le couple resistif (Cr) croisse continument en fonction du regime (N) au moins jusqu'e la valeur de regime donnee (N1), et - une etape de calcul de limitation de couple (103) qui determine une limitation (Cdmax) du couple (Cd) exerce par le dernarreur (10) en utilisant une evaluation d'un couple resistif statique (Cre (Text, N)) exerce sur le corps mobile (1) pour cheque regime (N) a ladite temperature exterieure (Text), ledit couple resistif statique (Cre (Text, N)) correspondant a une valeur etablie pour ladite temperature exterieure (Text) et pour le regime (N) etabli du corps mobile (1). 2. Procede de demarrage d'une turbomachine selon la revendication precedente, caracterise en ce que revaluation de la valeur du couple resistif statique (Cre (Text, N)) est etablie par des essais de caracterisation. 17 3. Procede de demarrage d'une turbomachine selon Ia revendication 1 ou 2, dans lequel Ia valeur (a) limitant ('acceleration depend du regime (N) et est croissante avec le regime (N), au moins jusqu'a la valeur de regime donnee (N1). 5 4. Procede de demarrage d'une turbomachine selon Ia revendication precedente, comportant une etape (101) definissant une premiere valeur de consigne (Ci) pour le couple (Cd) exerce par le demarreur (10) et dans lequel l'etape d'ajustement de couple (104) definit une consigne pour le dernarreur (10) en prenant le minimum entre ladite valeur de consigne (Ci) et une limitation (Cdmax) 10 du couple (Cd) exerce par le dernarreur (10) fournie par l'etape de calcul (103). 5. Procede de demarrage d'une turbomachine selon l'une des revendications precedentes, dans lequel le dernarreur (10) est commando par une regulation de sa source de puissance (i), par exemple electrique, en utilisant une fonction de 15 transfert (F) entre le couple (Cd) exerce et Ia puissance (i) fournie au dernarreur (10) pour appliquer le procede. 6. Procede de demarrage d'une turbomachine selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que le regime du corps mobile est 20 controle par une boucle de regulation comprenant une boucle de regulation imbriquee dans laquelle est realisee la determination de la limitation du couple. 7. Procede de demarrage d'une turbomachine selon l'une quelconque des revendications precedentes, dans lequel ladite valeur determinee du regime (N) 25 dans l'etape d'ajustement de couple (104) est au moins egale a ladite valeur de regime-donnee (N1) d'allumage du moteur. 8. Systeme de demarrage d'une turbomachine, Ia turbomachine comportant un dernarreur (10) et un moteur comprenant un corps mobile (1) en rotation, le moteur etant agence pour fonctionner lorsque le corps mobile (1) tourne a un regime (N) superieur a une premiere valeur donnee (N3), comprenant un 18 dernarreur (10) et un module electronique (21), ledit module electronique etant agence pour obtenir en entrée une indication de temperature exterieure (Text) et une indication de regime (N) du corps mobile (1), et pour commander le dernarreur (10) de maniere a effectuer un prockle de demarrage selon l'une des 5 revendications 1 a 7. 9. Systeme de demarrage d'une turbomachine selon la revendication precedente, dans lequel le module electronique (21) comporte des tables (23) definissant une evaluation d'un couple resistif statique (Cre(Text, N)) du corps mobile (1) pour 10 chaque regime (N) a ladite temperature exterieure (Text), ledit couple resistif statique correspondant a une valeur &Labile pour ladite temperature exterieure (Text) et pour le regime (N) etabli du corps mobile (1). 10. Systeme de demarrage d'une turbomachine selon la revendication 8 ou 9, dans 15 lequel le module electronique (21) comprend un premier sous-module calculant pour les indications courantes de regime (N) du corps mobile (1) et de temperature exterieure (Text), une valeur limite (imax) de la commande (ia) du dernarreur (10) correspondant a la limitation (Cdmax) du couple (Cd) exerce par le dernarreur (10). 20 11.Turbomachine comprenant un systeme de demarrage selon I'une quelconque des revendications 8 a 10.