TITRE :

PROCÉDÉ DE MISE À L'ARRET D'UN MOTEUR À TURBINE À GAZ DE TURBOGÉNÉRATEUR POUR L'AÉRONEF

Domaine technique

La présente invention concerne les turbogénérateurs d’ aéronef, et se rapporte plus particulièrement au refroidissement du compartiment moteur d’une turbine à gaz de tels turbogénérateurs.

Etat de la technique antérieure

Un aéronef comprend généralement un groupe motopropulseur formé par une pluralité de turboréacteurs destinés à fournir la poussée nécessaire à sa propulsion.

Aujourd’hui, les constructeurs aéronautiques tentent de réduire progressivement l’ impact environnemental des aéronefs dû principalement à la combustion de kérosène, et ce, tout en conservant un trafic soutenu.

Pour ce faire, il a été proposé d’ électrifier les composants participant aux fonctions propulsives de l’ aéronef, considérées comme la source principale de consommation d’ énergie.

L’ électrification concerne aussi bien les avions de ligne que des aéronefs évoluant en milieu urbain à décollage et atterrissage vertical VTOL (pour « Vertical Take-Off and Landing aircraft » selon le vocable anglosaxon) ou à décollage et atterrissage court STOL (pour « Short Take-Off and Landing aircraft » en anglais) .

Toutefois, il a été constaté que l’ électrification complète des fonctions propulsives entraîne un surpoids lié aux batteries et aux câblages.

De fait, il est avantageux d’ électrifier partiellement les fonctions propulsives. Plus particulièrement, le système propulsif comprend au moins une machine électrique entrainé par une turbine à gaz pour fournir une puissance électrique à l’ aéronef à partir d’énergie fossile.

La propulsion est dorénavant assurée par un ou plusieurs turbogénérateurs pouvant être complétés par un ensemble de batteries rechargeables permettant d’ alimenter le réseau électrique de l’ aéronef et/ou d’ alimenter la machine électrique et/ou de stocker de l’énergie électrique à forte densité énergétique, comprise par exemple entre 250 et 350 Wh/Kg.

Un tel turbogénérateur comprend généralement une turbine à gaz ainsi qu’une machine électrique réversible.

Par « réversible », on entend une machine tournante apte à transformer la puissance mécanique produite par la turbine à gaz en électricité, mais aussi de transformer une énergie électrique en travail en entrainant le moteur à turbine à gaz.

Cependant, dans le cas des aéronefs urbains qui effectuent de manière répétée des missions de courte durée, le turbogénérateur est soumis à une redondance de séquences de démarrage suivi d’une utilisation de la puissance nominale et d’un arrêt, sans pause significative, entre deux trajets.

Cela conduit à une surchauffe du turbogénérateur, à un cyclage thermique important de l’ ensemble mécanique, à un vieillissement prématuré de l’ ensemble mécanique, voire à la détérioration même du turbogénérateur.

Plus précisément, lors de fortes variations de puissance, l’huile et/ou le carburant du moteur est susceptible de se cokéfier au niveau de ses parties chaudes.

Il s’ agit généralement des injecteurs de carburant dans la chambre de combustion de la turbine à gaz.

Par ailleurs, des contraintes mécaniques telles qu’une dilatation différentielle sont aussi accentuées. Pour s’ en prémunir, il est recommandé au pilote de laisser tourner la turbine à gaz à un régime dit « ralenti » pendant une durée prédéterminée avant de procéder à son arrêt complet.

Cette durée prédéterminée, généralement définie en fonction de l’ architecture de la turbine à gaz, ne garantit pas une rapide disponibilité de l’ aéronef, en particulier lors de redécollages d’urgence.

Par conséquent, il a été proposé de réduire cette durée par la mise en œuvre d’une ventilation dite sèche de la turbine à gaz, autrement dit, sans injecter de carburant dans la chambre de combustion.

Au sol, la turbine à gaz brasse ainsi l’ air ambiant qui est beaucoup plus froid que la turbine à gaz et cela afin de la refroidir.

Une autre solution consiste en l’ ajout d’un ventilateur dédié à la turbine à gaz mais cela risque d’ augmenter significativement l’ encombrement de la turbine à gaz et de l’ alourdir.

Exposé de l’invention

Au vu de ce qui précède, l’invention se propose de pallier les contraintes précitées en proposant un procédé de mise à l’ arrêt progressif d’une turbine à gaz pour aéronef.

L’ invention a donc pour objet un procédé de mise à l’ arrêt d’ au moins un turbogénérateur pour aéronef, comprenant une machine électrique réversible couplée à une turbine à gaz au travers d’ au moins un arbre de puissance initialement dans un régime nominal de fonctionnement.

Le procédé comprend :

- une commande d’ arrêt du turbogénérateur ;

- un passage du régime nominal de fonctionnement de l’ arbre de puissance à un premier régime de fonctionnement inférieur au régime nominal pendant une première durée prédéterminée ;

- une commande d’ extinction de la chambre de combustion de la turbine à gaz ; - un maintien en rotation de la turbine à gaz à un second régime de fonctionnement en l’entraînant par la machine électrique réversible alimentée électriquement et fonctionnant en mode moteur pendant une seconde durée prédéterminée, l’ arbre de puissance étant dans le second régime inférieur au premier régime de fonctionnement et,

- un pilotage de l’ arrêt de la machine électrique réversible pour ne plus entraîner l’ arbre de puissance et provoquer un arrêt progressif de la rotation de la turbine à gaz.

Le premier régime de fonctionnement est ici proche du régime de ralenti et permet, grâce à une injection minimale de carburant dans la chambre de combustion, de commencer le refroidissement de la turbine à gaz et de son compartiment tout en délivrant un minimum de puissance en sortie du moteur.

A la fin de cette première durée prédéterminée, la machine électrique est arrêtée en coupant l’injection de carburant.

Autrement dit, il n’ y a plus de combustion de carburant, ce qui réduit rapidement la température de la turbine à gaz.

Afin d’ optimiser le refroidissement, la machine électrique entraîne la turbine à gaz pendant la seconde durée prédéterminée de manière à ce qu’ elle brasse de l’ air.

Ainsi, lorsqu’il est nécessaire d’ effectuer un appel de puissance d’urgence alors que l’ aéronef est en train d’ entamer une phase de descente caractérisée par une mise à l’ arrêt du turbogénérateur, la durée nécessaire au redémarrage du turbogénérateur est réduite car la turbine à gaz est déjà refroidie et ne craint donc pas un blocage par accumulation de chaleur.

La durée nécessaire au redémarrage du turbogénérateur est en outre réduite car la turbine à gaz est déjà entraînée en rotation à un certain régime par la machine électrique.

Il est à noter que lorsqu’un turbogénérateur comprend une architecture multimotrice, c’ est-à-dire ayant au moins deux arbres rotatifs, la première et la seconde durées prédéterminées ainsi que les niveaux des régimes, peuvent être différents d’un arbre à un autre. Avantageusement, la machine électrique est couplée à des moyens d’ alimentation électrique, le procédé comprenant une vérification, suite à la commande d’ arrêt, du niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation, et si le niveau en énergie électrique est inférieur à une valeur seuil, une commande de génération électrique permettant le pilotage de la turbine à gaz à un niveau de puissance mécanique requis et le pilotage de la machine électrique en mode générateur pour la génération d’une puissance électrique pendant la première durée apte à être stockée dans les moyens d’ alimentation de manière à atteindre la valeur seuil.

Afin de maintenir en rotation la turbine à gaz par la machine électrique et sans injection de carburant, il est avantageux que la machine électrique puisse être alimentée en énergie électrique par les moyens d’ alimentation pendant la seconde durée prédéterminée.

Ainsi, avant d’ arrêter l’ injection de carburant, on vérifie si le niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation est suffisant pour alimenter la machine électrique pendant la seconde durée, ainsi que pour le redémarrage de la turbine à gaz.

A titre d’ exemple, le niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation est supérieur à une valeur seuil comprise entre 0, 15 et 1 ,5 kWh.

De préférence, la première durée est comprise entre 30 et 120 secondes, et le premier régime de fonctionnement est compris entre 50 et 70% du régime nominal de fonctionnement de l’ arbre de puissance de la turbine à gaz.

A titre d’ exemple, le premier régime de fonctionnement du turbogénérateur est sensiblement égal à 60% de son régime nominal de fonctionnement.

Dans une architecture bimotrice, le premier régime d’un premier arbre rotatif peut être compris entre 50 et 70% du régime nominal et celui du second arbre rotatif entre 50 et 70% du régime nominal par exemple. Préférentiellement, la seconde durée est comprise entre 60 et 300 secondes, et le second régime de fonctionnement est compris entre 5 et 15% du régime nominal de fonctionnement de la turbine à gaz.

L’invention a également pour objet un dispositif de mise à l’ arrêt d’ au moins un turbogénérateur pour aéronef, le turbogénérateur comportant une machine électrique réversible couplée à une turbine à gaz au travers d’un arbre de puissance initialement dans un régime nominal de fonctionnement.

Le dispositif comprend :

- des moyens de commande aptes à générer un signal de consigne d’ arrêt du turbogénérateur ;

- des moyens d’ actionnement aptes à faire passer, pendant une première durée prédéterminée, le régime nominal de fonctionnement de l’ arbre de puissance à un premier régime de fonctionnement inférieur au régime nominal ;

- des moyens de commande de l’ extinction de la chambre de combustion de la turbine à gaz ;

- des moyens de maintien en rotation de la turbine à gaz à un second régime de fonctionnement en l’ entraînant par la machine électrique réversible alimentée électriquement et fonctionnant en mode moteur pendant une seconde durée prédéterminée, l’ arbre de puissance étant dans le second régime de fonctionnement inférieur au premier régime de fonctionnement et,

- des moyens de contrôle configurés pour arrêter l’ entraînement de l’ arbre de puissance par la machine électrique réversible et permettre un arrêt progressif de la rotation du turbogénérateur.

Avantageusement, la machine électrique est couplée à des moyens d’ alimentation électrique, le dispositif comprenant des moyens de comparaison configurés pour vérifier, suite à la génération du signal de consigne d’ arrêt, le niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation, et si le niveau en énergie électrique est inférieur à une valeur seuil, la machine électrique est apte à générer, pendant la première durée, une énergie électrique apte à être stockée dans les moyens d’ alimentation de manière à atteindre la valeur seuil.

De préférence, la première durée est comprise entre 30 et 120 secondes, durant laquelle le premier régime de fonctionnement est compris entre 5 et 70% du régime nominal de fonctionnement de l’ arbre de puissance de la turbine à gaz.

Préférentiellement, la seconde durée est comprise entre 60 et 300 secondes, et le second régime de fonctionnement est compris entre 5 et 15% du régime nominal de fonctionnement de l’ arbre de puissance de la turbine à gaz.

Avantageusement, les moyens d’ alimentation électrique comprennent au moins une batterie apte à alimenter la machine électrique.

Pour vérifier le niveau en énergie électrique d’ au moins une batterie, les moyens de comparaison sont configurés pour communiquer avec un système de gestion BMS (pour « Battery Management System » en anglais) qui permet d’ obtenir les informations relatives au niveau en énergie électrique de la batterie.

L’ invention a encore pour objet un aéronef comprenant au moins un turbogénérateur comportant au moins une turbine à gaz, une machine électrique réversible et au moins un dispositif de mise à l’ arrêt tel que défini ci-dessus.

Autrement dit, le dispositif de mise à l’ arrêt est configuré pour piloter une architecture monomotrice ou multimotrice.

Brève description des dessins

D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig 1 ] présente de manière schématique une vue en coupe d’un turbogénérateur monomoteur selon l’ état de la technique ; [Fig 2] représente schématiquement une vue en coupe d’un turbogénérateur multimoteur à un compresseur classique ;

[Fig 3] illustre de manière schématique une vue en coupe d’un turbogénérateur multimoteur à deux compresseurs selon l’ état de la technique ;

[Fig 4] illustre les modules d’un dispositif de mise à l’ arrêt d’ au moins un moteur à turbine à gaz du turbogénérateur monomoteur ou multimoteur selon un mode de réalisation de l’ invention ;

[Fig 5] présente un logigramme d’un procédé de mise à l’ arrêt du moteur à turbine à gaz mis en œuvre par ledit dispositif selon un mode de mise en œuvre de l’ invention et,

[Fig 6] représente un graphique d’ évolution temporelle du régime de fonctionnement du moteur de la turbine à gaz.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation de l’invention

Sur la figure 1 est représenté un turbogénérateur 1 destiné à assurer partiellement les fonctions propulsives d’un aéronef urbain destiné à effectuer de manière répétée des missions de courte durée.

Dans cet exemple, le turbogénérateur 1 comprend une turbine à gaz 2 apte à entraîner en rotation un unique arbre moteur 3, lui-même couplé à une turbine 4 et à un compresseur 5 de la turbine à gaz 2. La turbine à gaz 2 est donc ici une turbomachine à simple rotor.

Le compresseur 5 comprenant un ensemble d’ ailettes fixes et mobiles, destiné à comprimer l’ air extérieur.

La turbine à gaz 2 comprend en outre une chambre de combustion 6 apte à recevoir l’ air comprimé par le compresseur 5 et effectuer une combustion en le mélangeant à un carburant tel que le kérozène.

Le turbogénérateur 1 comprend en outre une machine électrique réversible 7 apte à fonctionner en mode générateur et en mode moteur. Plus précisément, lorsque la machine électrique 7 fonctionne en mode moteur, celle-ci est configurée pour produire un couple apte à entraîner l’ arbre 3.

Pour ce faire, la machine électrique 7 est couplée à des moyens d’ alimentation électrique 8 qui comprennent une ou plusieurs batteries 9.

A titre d’exemple non limitatif et par souci de clarté, les moyens d’ alimentation 8 comportent une unique batterie 9 destinée à alimenter la machine électrique 7 pour que celle-ci puisse fonctionner en mode moteur.

A l’ inverse, lorsque la machine électrique 7 fonctionne en mode générateur, elle transforme en électricité la puissance mécanique qu’elle prélève de l’ arbre 3.

Dans ce cas, la machine électrique 7 est apte à alimenter en énergie électrique la batterie 9.

Les moyens d’ alimentation 8 comprennent en outre un réseau d’ alimentation électrique haute tension 10 HVDC (pour « High Voltage Direct Current » en anglais), délivrant par exemple une tension continue supérieure à 270 volts, couplé à la batterie 9 afin de l’ alimenter en énergie électrique continue.

Le réseau d’ alimentation électrique haute tension 10 est par ailleurs couplé à la machine électrique 7 pour qu’elle puisse fonctionner en mode moteur.

En variante, tel qu’ illustré sur la figure 2, la turbine à gaz 2 comprend deux arbres en rotation 3 et 12 ainsi qu’ une seconde turbine 13, pouvant être appelée ici turbine libre car elle n’ est pas liée à un compresseur 6 de la turbine à gaz 2.

Dans cette configuration, la seconde turbine 13 est reliée à la machine électrique 7 par l’ arbre 12 concentrique à l’ arbre 3 et indépendant en rotation de ce dernier.

La turbine à gaz 2 est donc ici une turbomachine à double rotor, puisqu’ elle comprend deux arbres rotatifs indépendants 3 et 12. Dans une autre variante de turbomachine à double rotor, la turbine à gaz 2 comporte en outre un second compresseur 14 lié à la seconde turbine 13 par l’ arbre 12 concentrique à l’ arbre 3 et indépendant en rotation de ce dernier, tel qu’illustré dans la figure 3.

Que la turbomachine soit à simple rotor ou à double rotor, elle comprend l'arbre 3 ou respectivement l’ arbre 12, par l’ intermédiaire duquel la puissance mécanique peut être prélevée pour entraîner la machine électrique 7 fonctionnant en mode générateur. Cet arbre peut être appelé arbre de puissance. Dans une turbomachine à double rotor, l’ arbre de puissance 12 est également appelé l’ arbre basse pression, l'arbre 3 étant alors appelé l’ arbre haute pression.

Dans le cas d’un aéronef urbain, ces configurations sont souvent sujettes à des contraintes mécaniques et/ou une cokéfaction d’huile et de carburant.

Pour s’ en prémunir tout en garantissant une disponibilité rapide de l’ aéronef, le turbogénérateur 1 comporte un dispositif 15 configuré pour mettre à l’ arrêt au moins la turbine à gaz 2.

Plus précisément, le dispositif 15 est configuré pour piloter la machine électrique 7 ainsi que la turbine à gaz 2.

On se réfère à la figure 4 qui illustre une vue détaillée du dispositif 15.

Tel qu’ illustré, le dispositif 15 comprend des moyens de commande 16, des moyens d’ actionnement 17, de comparaison 18, des moyens de commande 19 ainsi que des moyens de maintien 20.

Le dispositif 15 est ici configuré pour mettre à l’ arrêt la turbine à gaz 2.

Pour ce faire, les moyens de commande 16 sont configurés pour initier la mise à l’ arrêt progressive de la turbine à gaz 2.

Plus particulièrement, les moyens de commande 16 sont aptes à générer un signal de consigne aux moyens d’ actionnement 17 couplés à la turbine à gaz 2. Les moyens d’ actionnement 17 sont configurés pour diminuer le régime de fonctionnement nominal de l’ arbre 3 à un premier régime de fonctionnement inférieur au régime nominal.

Quant aux moyens de comparaison 18 , ils sont aptes à vérifier simultanément si le niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation 8 est inférieur à une valeur seuil.

Cette valeur seuil peut être comprise par exemple entre 0, 15 kWh et 1 ,5 kWh.

Pour obtenir des informations relatives au niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation, les moyens de comparaison 18 sont couplés à un système de gestion 21.

Plus précisément, le système de gestion 21 est couplé aux moyens d’ alimentation 8 et plus particulièrement à la batterie 9.

Les moyens de comparaison 18 sont en outre couplés à la machine électrique 7 de manière à la faire fonctionner en mode générateur.

Afin de mettre à l’ arrêt la chambre de combustion 6, les moyens de commande 19 sont couplés à la turbine à gaz 2 et est configuré pour contrôler le fonctionnement de ladite chambre 6.

Quant aux moyens de maintien 20, ils sont configurés pour faire fonctionner la machine électrique 7 en mode moteur et ainsi maintenir en rotation l’ arbre de puissance 3 lorsque le carburant n’ est plus injecté dans la chambre de combustion 6.

Par ailleurs, afin de mettre en œuvre un arrêt progressif de la rotation de l’ arbre 3, le dispositif 15 comporte en outre des moyens de contrôle 22 configurés pour arrêter progressivement la machine électrique 7.

On se réfère à la figure 5 qui illustre un logigramme d’un procédé de mise à l’ arrêt de l’ arbre de puissance 3 et/ou 12, mis en œuvre par le dispositif 15.

Le procédé débute par une étape E l au cours de laquelle les moyens de commande 16 initient l’ arrêt progressif de l’ arbre de puissance 3 et/ou 12 initialement dans un régime nominal de fonctionnement.

A l’étape E2, les moyens d’ actionnement 17 pilotent la turbine à gaz 2 de manière à diminuer le régime de l’ arbre 3 et/ou 12 au premier régime de fonctionnement.

Ainsi, à l’étape E3, la turbine à gaz 2 fonctionne dans un régime inférieur au régime nominal de fonctionnement pendant une durée prédéterminée.

A titre d’ exemple, le premier régime de fonctionnement est compris entre 50 et 70% du régime nominal et la première durée prédéterminée est comprise entre 30 et 120 secondes.

En d’ autres termes, en continuant d’ injecter un minimum de carburant dans la chambre de combustion 6, la turbine à gaz 2 fonctionne dans un régime de fonctionnement proche du régime de ralenti.

Ainsi, il est possible de refroidir le compartiment de la turbine à gaz 2 tout en prévoyant que la turbine à gaz délivre un minimum de puissance à son arbre de puissance 3 et/ou 12.

Simultanément, à l’ étape E4, les moyens de comparaison 18 vérifient le niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation 8.

Pour ce faire, le système de gestion 21 récupère les données relatives à l’ état de charge des moyens d’ alimentation 8 et particulièrement la batterie 9.

Au cours de l’ étape E5 , dès que les moyens de comparaison 18 disposent desdites données, ils les comparent à la valeur seuil.

Autrement dit, les moyens de comparaison vérifient si la machine électrique 7 est apte à entraîner l’ arbre 3 et/ou 12 pendant la seconde durée prédéterminée et cela sans injection de carburant dans la chambre de combustion 6.

Pour assurer cette fonction, il est avantageux que le niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation 8 soit supérieur à la valeur seuil.

Ainsi, si le niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation 8 est supérieur à la valeur seuil, le procédé passe à l’ étape E3 dans laquelle le premier régime de fonctionnement est maintenu pendant la durée prédéterminée. Puis, le procédé passe à l’ étape E7 à la fin de celle-ci.

A l’ inverse, lorsque le niveau en énergie électrique des moyens d’ alimentation 8 est inférieur à la valeur seuil, la machine électrique 7 fonctionne, à l’ étape E6, en mode générateur au cours de la première durée prédéterminée afin d’ augmenter le niveau en énergie électrique les moyens d’ alimentation 8.

Au cours de l’ étape E7, les moyens de commande 19 mettent à l’ arrêt la chambre de combustion 6.

A l’ étape E8, les moyens de maintien 20 pilotent la machine électrique en mode moteur pour maintenir en rotation l’ arbre 3 et/ou 12 pendant la seconde durée prédéterminée comprise par exemple entre 60 et 300 secondes .

Ainsi, l’ arbre 3 et/ou 12 est dans un second régime de fonctionnement compris par exemple entre 5 et 15 % du régime nominal de fonctionnement, ce qui améliore son refroidissement.

Enfin, à l’ étape E9, les moyens de contrôle 22 arrêtent progressivement la machine électrique 7.

La vitesse de rotation de l’ arbre 3 et/ou 12 décroît alors rapidement jusqu’ à atteindre une vitesse nulle.

Ce mode de mise en œuvre permet d’ obtenir une évolution temporelle en secondes du régime de fonctionnement N du moteur, en tours par minute, représentée par un graphique G 1 illustré sur la figure 6.

Pendant une première phase ti, l’ aéronef est dans une phase de croisière durant laquelle l’ arbre 3 et/ou 12 de la turbine à gaz 2 est initialement dans un régime nominal de fonctionnement N _re f.

Lorsque le pilote entame la descente de l’ aéronef à la fin de la phase ti , il demande l’ arrêt progressif de la turbine à gaz 2.

Suite à cela, le régime de fonctionnement de l’ arbre 3 et/ou 12 décroît rapidement pour atteindre un régime de fonctionnement Ni proche du régime de ralenti. Cela permet d’ avoir un premier niveau de refroidissement du turbogénérateur 1 en injectant peu de carburant dans la chambre de combustion 6.

Autrement dit, le passage du flux d’ air tout en délivrant un minimum de puissance en sortie de la turbine à gaz 2 crée des conditions favorables pour commencer à refroidir la turbomachine en vol.

Le premier régime de fonctionnement Ni est ici compris entre 50 et 70% du régime N _re f et est maintenu pendant la durée prédéterminée t2 comprise entre 30 et 120 secondes.

On éteint ensuite la chambre de combustion 6 de la turbine à gaz 2 pour entamer une troisième phase t comprise entre 60 et 300 secondes, pendant laquelle la machine électrique 7 est commandée dans un mode moteur qui permet d’ entraîner l’ arbre 3 et/ou 12 à un deuxième régime N2 afin de le refroidir en brassant de l’ air.

Pour optimiser le refroidissement de la turbine à gaz 2, le deuxième régime N2 est compris par exemple entre 5 et 15 % du régime nominal N _re f.

Enfin, dans une dernière phase t4, la machine électrique 7 est mise à l’ arrêt et n’ entraîne donc plus l’ arbre 3 et/ou 12. La vitesse de rotation de l’ arbre 3 et/ou 12 décroît alors très rapidement jusqu’ à atteindre une vitesse nulle.