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DESCRIPTION
TITRE :
PROCÉDÉ DE MISE A L'ARRET D'UN MOTEUR A TURBINE A 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.
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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.
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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 oeuvre 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 ;
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- 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.
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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
5 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.
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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
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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 ;
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[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 41 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 oeuvre par ledit dispositif selon un
mode de mise en oeuvre 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.
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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.
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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.
5 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,
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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.
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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 oeuvre 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
oeuvre par le dispositif 15.
Le procédé débute par une étape El au cours de laquelle les
moyens de commande 16 initient l'arrêt progressif de l'arbre de
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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
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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 oeuvre permet d'obtenir une évolution
temporelle en secondes du régime de fonctionnement N du moteur, en
tours par minute, représentée par un graphique G1 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 Nref.
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.
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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 Nref 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 t3 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
N7 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 Nref.
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.
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