Modélisation du démarrage et de la réactivation rapide d’une turbine d’hélicoptère

Modelling of the Start-Up Phase and the Fast Restart of a Helicopter Turbine Engine

• Auteur / Autrice : Antoine Ferrand
• Direction : Marc Bellenoue, Yves Bertin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 05/02/2019
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe Safran
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Trebinjac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Marconi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Guibert, Xavier Carbonneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hélicoptères

Incertitude de mesure

Essais dynamiques

Accélération (mécanique)

Hélicoptères

Turbomoteurs

Turbines à gaz

Mots clés libres

Démarrage

Modélisation système

Réactivation rapide

Start-up

System modelling

Fast restars

Résumé

Cette étude sur le démarrage des turbines à gaz (TAG) s’inscrit dans le cadre de l’hybridation d’un turbomoteur d’hélicoptère avec un objectif de réduction de consommation. En effet, un nouveau mode de vol pour hélicoptère bimoteurs est envisagé avec l’extinction d’un moteur en vol, ce qui permettrai tune économie de carburant de l’ordre de 15% d’après Safran Helicopter Engines. La certification d’untel mode de vol nécessite alors de progresser sur la compréhension de la phase de démarrage de la TAG pour garantir un taux d’échec de redémarrage en vol très faible ainsi qu’une capacité de réactivation d’urgence de la TAG éteinte. Le démarrage se décompose en deux grandes phases, la phase d’allumage et la phase d’accélération. A l’issue d’une étude phénoménologique détaillée, les paramètres d’influence ont été identifiés pour chacune de ces phases. Une campagne d’essais de démarrage au sol et à température ambiante, menée chez Safran Helicopter Engines, a été réalisée pour étudie r la capacité de redémarrage du turbomoteur RTM322. L’analyse des résultats a permis d’étayer l’étude phénoménologique effectuée ainsi que de fournir des données pour alimenter les premiers outils numériques 0D développés au court de cette thèse. Le modèle 0D implémenté permet de reproduire une séquence de démarrage complète, avec une prise en compte simple de l’allumage, et ce jusqu’au régime ralenti. Un travail d’extension des caractéristiques des différents composants et systèmes ainsi qu’une étude de différents phénomènes transitoire sont été nécessaire pour y parvenir. Les résultats d’essais étant cependant quasi-inexistants à bas régime,le modèle possède un certain degré d’incertitude dans ces conditions. Enfin, la capacité de réactivation rapide de la TAG a été étudiée avec l’évaluation des gains de temps potentiellement atteignables d’après les essais et à l’aide du modèle développé. Une campagne d’essais complémentaires dédiée aux faibles régimes et pour des conditions environnementales plus sévères en termes de pression et de température permettrait de réduire le degré d’incertitude des projections ainsi obtenues. Une nouvelle campagne d’essai permettrait aussi de tester les différentes améliorations proposées en termes de réactivation.

This study on the start-up phase of gas turbine engines takes place in the context of the hybridization of a helicopter turboshaft engine with a decreased fuel consumption target. A new flight mode for a twin engine helicopter with the shutdown of one engine in-flight is being considered. For Safran Helicopter Engines, this mode would allow up to 15% of fuel savings. The certification of this flight mode involves improving the understanding of the start-up phase of gas turbine engines towards a close-to-zero failure rate for in-flight restarts as well as a fast restart capability of the shutdown engine. The start-up phase is composed of two main steps: the light-up and the acceleration. A detailed phenomenological study has highlighted the factors influencing the performance for each of these two steps. A test rig campaign at sea level and ambient temperature, performed at Safran Helicopter Engines, took place in order to study the restart capability of the RTM322 turboshaft engine. Analyzing the results of this campaign provided support to the phenomenological study and fed the first 0D numerical tools developed in this thesis with data. The 0D model implemented can simulate a full start-up sequence towards idle speed, with a basic approach to account for the light-up phase. This achievement required working on the extension of the various component characteristics towards sub-idle speeds and also on the different transient phenomena involved. The lack of test rig data at low speed leads to a level of uncertainty in these conditions. Finally, the fast restart capability was studied, with the assessments of time saved potentially achievable from the test rig data and with the model developed in this thesis. A new test rig campaign dedicated to low speed operations with more severe environmental conditions in pressure and temperature would allow to lower the level of uncertainty of the simulation results. This would also be the opportunity to test the various improvements suggested in terms of fast restart.