ES2600637T3 - Procedimiento de arranque de una turbomáquina que reduce el desequilibrio térmico - Google Patents

Procedimiento de arranque de una turbomáquina que reduce el desequilibrio térmico Download PDF

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ES2600637T3 ES12743482.7T ES12743482T ES2600637T3 ES 2600637 T3 ES2600637 T3 ES 2600637T3 ES 12743482 T ES12743482 T ES 12743482T ES 2600637 T3 ES2600637 T3 ES 2600637T3
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Frédéric Ferdinand Jacques BATLLE
Edgar Haehner
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Abstract

Procedimiento de arranque o de rearranque de una turbomáquina (1), puesto en práctica por una unidad electrónica (2), comprendiendo la turbomáquina (1) un motor (3) de turbina de gas que incluye al menos un rotor y un arrancador (4) apto para arrastrar el rotor en rotación, caracterizado por que el mismo comprende, en respuesta a la recepción de una orden de arranque: - una etapa (E2, E3) de aceleración primaria en la cual se manda el arrancador (4) para aumentar la velocidad de rotación (N) del rotor, - una etapa (E4, E5) de homogeneización térmica en la cual se manda el arrancador (4) para mantener constante o disminuir la velocidad de rotación (N) del rotor, hasta la verificación de una condición predeterminada, sin mandar el encendido del motor, - después de la verificación de la condición predeterminada, una etapa (E6) de aceleración secundaria en la cual se manda el arrancador (4) para aumentar la velocidad de rotación (N) del rotor, y - una etapa (E6) de encendido en la cual se manda el encendido del motor (3).

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de arranque de una turbomaquina que reduce el desequilibrio termico Antecedentes de la invencion
La presente invencion se refiere al ambito general de las turbomaquinas. La presente invencion concierne en particular a la consideracion del desequilibrio termico durante el arranque de una turbomaquina.
El desequilibrio termico es un desequilibrio temporal que se instala en el rotor de una turbomaquina despues de la parada de la misma. Siendo el aire cliente mas ligero que el aire frlo, se establece en la vena una heterogeneidad de las temperaturas, lo que crea por efecto bilamina una deformacion del rotor. El desequilibrio termico puede ser mas de cien veces superior al desequilibrio residual del rotor.
Ahora bien, una turbomaquina debe franquear una o varias velocidades crlticas antes de alcanzar su velocidad de funcionamiento. Asl, durante el franqueamiento de las velocidades crlticas en el rearranque de la turbomaquina, el desequilibrio termico puede tener como consecuencia fuertes vibraciones, lo que puede alterar la fiabilidad de la turbomaquina. El desequilibrio termico puede tener como consecuencia igualmente contactos estator / rotor que pueden alterar la resistencia mecanica de los componentes implicados.
Varias soluciones conocidas estan destinadas a reducir los efectos no deseables del desequilibrio termico:
- Prohibicion de rearrancar la turbomaquina durante un cierto tiempo despues de su parada.
- Procedimientos especlficos realizados durante la parada o antes del rearranque, que estan destinados a disminuir la heterogeneidad de temperatura (ventilacion, rotaciones sucesivas del motor, inyeccion de un flujo de aire en la vena, ...)
- Apertura de las holguras estator / rotor para impedir los contactos durante el rearranque de la turbomaquina.
- Adaptacion de la arquitectura para limitar los efectos del desequilibrio termico.
Estas soluciones conocidas presentan sin embargo ciertos inconvenientes:
- La prohibicion de rearrancar durante un cierto tiempo penaliza la disponibilidad de la turbomaquina.
- Los procedimientos especlficos necesitan una intervencion de un operario, por ejemplo del piloto en el caso de una turbomaquina de aeronave.
- La apertura de las holguras estator / rotor se hace en detrimento de las prestaciones de la turbomaquina.
- La adaptacion de la arquitectura se hace en detrimento de la masa de la turbomaquina.
Por ejemplo, el documento FR 2 185 753 describe la inyeccion de aire comprimido en la vena, por un canal previsto a tal efecto. Este documento menciona igualmente otras soluciones, especialmente la puesta en rotacion de la turbomaquina por un girador, antes de su rearranque. Esta ultima solucion implica la intervencion de un operario antes del rearranque. Vease tambien el documento Ep 2 339 145 A2.
Existe por tanto una necesidad de una solucion mas eficaz para el rearranque de una turbomaquina susceptible de ser afectada por un desequilibrio termico.
Objeto y resumen de la invencion
La invencion propone responder a esta necesidad proponiendo un procedimiento de arranque o de rearranque de una turbomaquina, puesto en practica por una unidad electronica, comprendiendo la turbomaquina un motor de turbina de gas que incluye al menos un rotor y un arrancador apto para arrastrar el rotor en rotacion, comprendiendo el procedimiento de arranque:
- una etapa de recepcion de una orden de arranque de la turbomaquina y, en respuesta a la recepcion de la orden de arranque:
- una etapa de aceleracion primaria en la cual se manda el arrancador para aumentar la velocidad de rotacion del rotor,
- una etapa de homogeneizacion termica en la cual se manda el arrancador para mantener constante o disminuir la velocidad de rotacion del rotor, hasta la verificacion de una condicion predeterminada,
- despues de la verificacion de la condicion predeterminada, una etapa de aceleracion secundaria en la cual se manda el arrancador para aumentar la velocidad de rotacion del rotor, y
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- una etapa de encendido en la cual se manda el encendido del motor.
Como la velocidad de rotacion no aumenta despues de la etapa de aceleracion primaria, el desequilibrio termico no produce vibraciones inaceptables durante la etapa de aceleracion primaria y la etapa de homogeneizacion termica. Ademas, durante la etapa de homogeneizacion termica, los intercambios convectivos forzados en el motor homogeneizan las temperaturas y por tanto reducen el desequilibrio termico. Asl, cuando la velocidad de rotacion aumenta de nuevo durante la fase de aceleracion secundaria, el desequilibrio termico se ha reducido y no genera vibraciones inaceptables.
Ademas, las etapas de aceleracion primaria, de homogeneizacion termica y de aceleracion secundaria son efectuadas por la unidad electronica automaticamente, en respuesta a la recepcion de la orden de arranque. Dicho de otro modo, las etapas del procedimiento de arranque que permiten reducir el desequilibrio termico estan integradas en el proceso de arranque del motor, gestionado por la unidad electronica. Aparte de dar la orden de arranque, no hay que efectuar por tanto ninguna otra operacion por un operario.
En un modo de realizacion, la etapa de aceleracion primaria es efectuada hasta alcanzar una velocidad de rotacion predeterminada.
La velocidad de rotacion predeterminada puede ser inferior a una primera velocidad de rotacion crltica de la turbomaquina.
En razon de la reduccion del desequilibrio termico durante la etapa de homogeneizacion termica, la velocidad de rotacion puede rebasar despues la velocidad de rotacion predeterminada durante la etapa de aceleracion secundaria.
En un modo de realizacion, la condition predeterminada es el transcurso de una duration predeterminada desde el comienzo de la etapa de homogeneizacion termica.
Esta duracion predeterminada esta comprendida por ejemplo entre 5 segundos y 60 segundos.
En otro modo de realizacion, la etapa de aceleracion primaria es efectuada hasta detectar un nivel de vibration superior o igual a un primer nivel predeterminado, siendo la citada condicion predeterminada la detection de un nivel de vibracion inferior o igual a un segundo nivel predeterminado inferior al primer nivel predeterminado.
Durante la etapa de homogeneizacion termica, se puede mandar el arrancador para mantener constante la velocidad de rotacion del rotor.
En una variante, durante la etapa de homogeneizacion termica, se manda el arrancador para dejar de arrastrar el rotor en rotacion.
De manera correspondiente, la invention propone igualmente:
- Un programa de ordenador que comprende instrucciones para la puesta en practica de un procedimiento de arranque de acuerdo con la invencion cuando este programa de ordenador es ejecutado por un ordenador.
- Una unidad electronica que comprende una memoria en la cual esta memorizado un programa de ordenador de acuerdo con la invencion.
- Una turbomaquina que comprende una unidad electronica de acuerdo con la invencion, un motor de turbina de gas que incluye al menos un rotor y un arrancador apto para arrastrar el rotor en rotacion.
Breve descripcion de los dibujos
Otras caracterlsticas y ventajas de la presente invencion se deduciran de la descripcion hecha a continuation, refiriendose a los dibujos anejos que ilustran ejemplos de realizacion de la misma desprovistos de cualquier caracter limitativo. En las figuras:
- la figura 1 es una representation esquematica de una turbomaquina de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion,
- las figuras 2 a 5 son graficos que representan la evolution de la velocidad de rotacion de la turbomaquina de la figura 1 durante su arranque, en funcion del tiempo, segun varias variantes de realizacion de la invencion, y
- la figura 6 es un diagrama que representa las principales etapas de un procedimiento de arranque de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion.
Descripcion detallada de la invencion
La figura 1 representa una turbomaquina 1 que comprende una unidad electronica 2, un motor 3 y un arrancador 4. En una realizacion de la invencion, la turbomaquina 1 es un turbomotor de helicoptero. Este tipo de turbomotor es
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conocido por el especialista en la materia y por tanto no sera descrito en detalle. La invention es sin embargo aplicable a otros tipos de turbomaquinas para aeronaves, especialmente a un turborreactor, un turborreactor de doble cuerpo y doble flujo, un turbopropulsor ... o turbomaquinas industrials...
El motor 3 es un motor de turbinas de gas que comprende al menos un rotor. En lo que sigue, se indica por N la velocidad de rotation del rotor. En el caso antes citado de un turborreactor de doble cuerpo, doble flujo, el motor 3 comprende dos rotores y N designa la velocidad de rotacion de uno de los dos rotores.
El arrancador 4 es por ejemplo un motor electrico acoplado al motor 3 y que puede arrastrar el rotor del motor 3 en rotacion. El arrancador 4 puede igualmente servir de generador electrico cuando el mismo es arrastrado en rotacion por el motor 3.
La unidad electronica 2 manda el funcionamiento general de la turbomaquina 1, especialmente poniendo en practica un bucle de regulation principal para controlar el regimen o el empuje de la turbomaquina 1. La unidad electronica 2 es conocida tlpicamente por el especialista en la materia con el nombre de FADEC (de « Full Authority Digital Engine Control ») o de EEC (de « Electronic Engine Controller »).
La unidad electronica 2 presenta la arquitectura material de un ordenador y comprende especialmente un procesador 5, una memoria no volatil 6, una memoria volatil 7 y una interfaz 8. El procesador 5 permite ejecutar programas de ordenador memorizados en la memoria no volatil 6, utilizando la memoria volatil 7 como espacio de trabajo. La interfaz 8 permite adquirir senales representativas del funcionamiento de la turbomaquina 1 y enviar senales de mando.
Asl, la unidad electronica 2 puede especialmente adquirir una senal representativa de la velocidad de rotacion N del rotor, una senal representativa de un nivel de vibraciones S en el motor 3, facilitada por un sensor de vibration (por ejemplo un acelerometro), y una senal representativa de una orden de arranque DEM, facilitada por ejemplo por un organo de mando manipulable por un operario (el piloto en el caso de un turbomotor de aeronave). La unidad electronica 2 puede igualmente mandar, entro otros, el arrancador 4 y el encendido del motor 3.
Refiriendose a la figura 2, se describe ahora un primer ejemplo de procedimiento de arranque de la turbomaquina 1. La figura 2 es un grafico que representa la evolution de la velocidad de rotacion N en funcion del tiempo t.
En el instante fo, la unidad electronica 2 recibe una orden arranque de la turbomaquina 1. La unidad electronica 2 manda entonces el arrancador 4 de manera que arrastre el rotor y que aumente progresivamente su velocidad de rotacion N hasta alcanzar, en el instante t1, una velocidad de rotacion N1 predeterminada. La velocidad de rotacion N1 es inferior a la primera velocidad de rotacion crltica Nc del rotor.
A continuation, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manera que deje de arrastrar el rotor durante una duration At predeterminada. La duration At predeterminada esta comprendida por ejemplo entre 5 segundos y 60 segundos. En razon de la potencia aerodinamica disipada, la velocidad de rotacion N disminuye. Durante esta duracion predeterminada, los intercambios convectivos forzados en el motor 3 homogeneizan las temperaturas y por tanto reducen el desequilibrio termico.
Despues del transcurso de la duracion At predeterminada, en el instante t2, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manera que arrastre el rotor y que aumente progresivamente su velocidad de rotacion N hasta sobrepasar las velocidades de rotacion N1 y Nc y alcanzar, en el instante t3, una velocidad de rotacion Na predeterminada.
A continuacion, en el instante t3, la unidad electronica 2 manda el encendido del motor 3.
Entre el instante t0 y el instante t2, la velocidad de rotacion N es siempre inferior o igual a la velocidad de rotacion N1, a su vez inferior a la velocidad de rotacion Nc. Asl, el desequilibrio termico no produce vibraciones inaceptables. Ademas, entre los instantes t1 y t2, los intercambios convectivos forzados en el motor 3 homogeneizan las temperaturas y por tanto reducen el desequilibrio termico. Asl, cuando la velocidad de rotacion N aumenta a partir del instante t2, el desequilibrio termico es reducido y no genera vibraciones inaceptables.
La figura 3 es similar a la figura 2 e ilustra un segundo ejemplo de procedimiento de arranque de la turbomaquina 1. Este segundo ejemplo es similar al primer ejemplo de la figura 2. Se distingue del mismo por el hecho de que, despues del instante t1, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manera que deje de arrastrar el rotor hasta detectar, en el instante t2, que la velocidad de rotacion N es inferior o igual a una velocidad de rotacion N1' predeterminada. La velocidad N1' es inferior a la velocidad N1. Dicho de otro modo, el instante t2 es determinado sobre la base de un umbral de velocidad y no del transcurso de una duracion predeterminada.
La figura 4 es similar a la figura 2 e ilustra un tercer ejemplo de procedimiento de arranque de la turbomaquina 1. Este tercer ejemplo es similar al primer ejemplo de la figura 2. Se distingue del mismo por el hecho de que, durante una duracion At predeterminada, es decir entre los instantes t1 y t2, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manera que mantenga la velocidad de rotacion N constante e igual a N1.
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Como en el caso de las figuras 2 y 3, la velocidad de rotacion N es limitada antes del instante t2 y el desequilibrio termico es reducido despues del instante t2 en razon de los intercambios convectivos forzados en el motor 3. Se evitan as! vibraciones inaceptables.
La figura 5 es similar a la figura 2 y representa la evolucion de la velocidad de rotacion N en funcion del tiempo t en un cuarto ejemplo de procedimiento de arranque de la turbomaquina 1.
En el instante t0, la unidad electronica 2 recibe una orden de arranque de la turbomaquina 1. La unidad electronica 2 manda por tanto el arrancador 4 de manera que arrastre el rotor y que aumente progresivamente su velocidad de rotacion N hasta detectar, en el instante t1, un nivel de vibracion S superior o igual a un umbral predeterminado S1. La velocidad de rotacion N en el instante t1 es indicada por N1'. Una eleccion apropiada del umbral S1 permite asegurar que N1' es inferior a la primera velocidad de rotacion crltica Nc del rotor.
A continuacion, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manera que mantenga la velocidad de rotacion N constante e igual a N1', hasta detectar, en un instante t2, que el nivel de vibracion S es inferior o igual a un umbral predeterminado S2. El umbral S2 es inferior al umbral S1
A continuacion, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manera que arrastre el rotor y que aumente progresivamente su velocidad de rotacion N hasta sobrepasar las velocidades de rotacion N1' y Nc y que, en el instante t3, alcance una velocidad de rotacion Na predeterminada.
En el instante t3, la unidad electronica 2 manda entonces el encendido del motor 3.
El procedimiento de arranque de la figura 4 es iterativo. Dicho de otro modo, si despues del instante t2 se alcanza de nuevo el umbral S1, la unidad electronica 2 manda de nuevo el arrancador 4 de manera que mantenga la velocidad de rotacion N constante e igual a N1', hasta detectar que el nivel de vibracion S sea inferior o igual al umbral S2.
Como en el caso de las figuras 2 a 4, la velocidad de rotacion N esta limitada antes del instante t2 y el desequilibrio termico es reducido despues del instante t2 en razon de los intercambios convectivos forzados en el motor 3. Se evitan as! vibraciones inaceptables.
El desarrollo del procedimiento de arranque ilustrado en las figuras 2 a 5 puede corresponder a la ejecucion, por el procesador 5, de un programa de ordenador P1 memorizado en la memoria no volatil 6. La figura 6 representa las principales etapas de este procedimiento de arranque, puesto en practica por la unidad electronica 2 durante la ejecucion del programa de ordenador P1.
El procedimiento de arranque empieza en la etapa E1 en el transcurso de la cual la unidad electronica 2 recibe una orden de arranque. La etapa E1 corresponde al instante tc de las figuras 2 a 4. Las etapas E2 a E6 que siguen son efectuadas en respuesta a la recepcion de la orden de arranque.
En la etapa E2, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manera que arrastre el rotor y que aumente progresivamente su velocidad de rotacion N. En la etapa E3, la unidad electronica 2 prueba una condition de transition hacia la etapa E4. En el caso de las figuras 2 a 4, la condicion de transition es N > N1. En el caso de la figura 5, la condicion es S > S1. En otra variante (no representada), la condicion es el transcurso de una duration predeterminada. El procedimiento de arranque pasa de nuevo a la etapa E2 en tanto que la condicion de transicion no sea verificada.
Las etapas E2 y E3 corresponden a una etapa de aceleracion primaria de un procedimiento de arranque de acuerdo con la invencion.
Cuando la condicion de transicion de la etapa E3 es verificada, lo que corresponde al instante ti de las figuras 2 a 5, el procedimiento de arranque continua en la etapa E4. En el transcurso de la etapa E4, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manear que deje de arrastrar el rotor (caso de las figuras 2 y 3) o que mantenga la velocidad de rotacion N constante (caso de las figuras 4 y 5).
En la etapa E5, la unidad electronica 2 prueba una condicion predeterminada. En el caso de las figuras 2 y 4, la condicion predeterminada es el transcurso de la duracion At predeterminada desde el final de la etapa E3. En el caso de la figura 3, la condicion predeterminada es N < N1'. En el caso de la figura 5, la condicion predeterminada es S < S2. El procedimiento de arranque pasa de nuevo a la etapa E4 en tanto que la condicion predeterminada no sea verificada.
Las etapas E4 y E5 corresponden a una etapa de homogeneizacion termica de un procedimiento de arranque de acuerdo con la invencion.
Cuando la condicion predeterminada de la etapa E5 es verificada, lo que corresponde a instante t2 de las figuras 2 a 4, el procedimiento de arranque continua en la etapa E6. En el transcurso de la etapa E6, la unidad electronica 2 manda el arrancador 4 de manera que arrastre el rotor y que aumente progresivamente su velocidad de rotacion N hasta sobrepasar las velocidades de rotacion N1 (o N1') y Nc y alcanzar en el instante t3, la velocidad de rotacion Na
predeterminada. La unidad electronica 2 manda entonces el encendido del motor 3, lo que implica la inyeccion de carburante y el encendido de la camara de combustion de la turbomaquina.
La etapa E6 corresponde a una etapa de aceleracion secundaria y a una etapa de encendido de un procedimiento de arranque de acuerdo con la invencion.
5 Como se explico anteriormente refiriendose a las figuras 2 a 5, el procedimiento de arranque descrito permite evitar vibraciones no deseables que pueden ser provocadas por el desequilibrio termico. No es necesario esperar una duracion predeterminada despues de la parada de la turbomaquina 1 para rearrancar el motor 3. La solucion propuesta no necesita una arquitectura especlfica del motor 3 ni la apertura de las holguras estator / rotor.
Ademas, las etapas E2 a E6 son efectuadas por la unidad electronica 2 automaticamente, en respuesta a la 10 recepcion de la orden de arranque en la etapa E1. As! pues, aparte de dar la orden de arranque, el piloto no tiene que efectuar ninguna otra operacion. En efecto, las etapas E2 a E6 del procedimiento de arranque estan integradas en el proceso de arranque del motor 3, gestionado por la unidad electronica 2 durante la ejecucion del programa de ordenador P1.
En una variante de realization, las etapas E2 a E6 son puestas en practica de otro modo que por una unidad 15 electronica que incluya un procesador que ejecute un programa de ordenador. Por ejemplo, la unidad electronica puede ser un automata de tipo secuenciador de rele configurado para la puesta en practica de las etapas E2 a D6 en respuesta a la recepcion de una orden arranque.
En un modo de realizacion, las etapas E2 a E6 van precedidas de una etapa de prueba del estado termico de la turbomaquina. En este caso, si el estado termico de la turbomaquina indica la presencia de un desequilibrio termico, 20 las etapas E2 a E6 son ejecutadas como se describio anteriormente. Por el contrario, si el estado termico indica la ausencia de desequilibrio termico (motor frlo), el arranque de la turbomaquina es mandado sin pasar por las etapas E2 a E6.

Claims (10)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de arranque o de rearranque de una turbomaquina (1), puesto en practica por una unidad electronica (2), comprendiendo la turbomaquina (1) un motor (3) de turbina de gas que incluye al menos un rotor y un arrancador (4) apto para arrastrar el rotor en rotacion, caracterizado por que el mismo comprende, en respuesta a la recepcion de una orden de arranque:
    - una etapa (E2, E3) de aceleracion primaria en la cual se manda el arrancador (4) para aumentar la velocidad de rotacion (N) del rotor,
    - una etapa (E4, E5) de homogeneizacion termica en la cual se manda el arrancador (4) para mantener constante o disminuir la velocidad de rotacion (N) del rotor, hasta la verification de una condition predeterminada, sin mandar el encendido del motor,
    - despues de la verificacion de la condicion predeterminada, una etapa (E6) de aceleracion secundaria en la cual se manda el arrancador (4) para aumentar la velocidad de rotacion (N) del rotor, y
    - una etapa (E6) de encendido en la cual se manda el encendido del motor (3).
  2. 2. Procedimiento de arranque de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual la etapa (E2, E3) de aceleracion primaria es efectuada hasta alcanzar una velocidad de rotacion predeterminada (N1).
  3. 3. Procedimiento de arranque de acuerdo con la reivindicacion 2, en el cual la velocidad de rotacion predeterminada (N1) es inferior a una primera velocidad de rotacion crltica (Nc) de la turbomaquina.
  4. 4. Procedimiento de arranque de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual la citada condicion predeterminada es el transcurso de una duration (At) predeterminada desde el comienzo de la etapa (E4, E5) de homogeneizacion termica.
  5. 5. Procedimiento de arranque de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual la etapa (E2, E3) de aceleracion primaria es efectuada hasta detectar un nivel de vibration (S) superior o igual a un primer nivel predeterminado (S1), siendo la citada condicion predeterminada la detection de un nivel (S) inferior o igual a un segundo nivel predeterminado (S2) inferior al primer nivel predeterminado (S1).
  6. 6. Procedimiento de arranque de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual, durante la etapa (E4, E5) de homogenization termica, se manda el arrancador (4) para mantener constante a velocidad de rotacion (N) del rotor.
  7. 7. Procedimiento de arranque de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual, durante la etapa (E4, E5) de homogenizacion termica, se manda el arrancador (4) para dejar de arrastrar el rotor en rotacion.
  8. 8. Programa de ordenador (P1) que comprende instrucciones para la puesta en practica de un procedimiento de arranque de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes cuando el citado programa de ordenador (P1) es ejecutado por un ordenador.
  9. 9. Unidad electronica (2) que comprende una memoria (6) en la cual esta memorizado un programa de ordenador (P1) de acuerdo con la reivindicacion 8.
  10. 10. Turbomaquina (1) que comprende una unidad electronica (2) de acuerdo con la reivindicacion 9, un motor (3) de turbina de gas que incluye al menos un rotor y un arrancador (4) apto para arrastrar el rotor en rotacion.
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