L'ACL GTA, un turboalternateur de conception avancée pour applications navales

31/08/2017
Publication REE REE 2006-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-4:19725
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L'ACL GTA, un turboalternateur de conception avancée pour applications navales

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LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. : VOLUTIONS TECHNIQUES RÉCENTES DES EQUIPEMENTS (2u,lle partie) L : ACL GTA, un turboalternateur m 10, de conception avancée pour applications navales Mots clés Turbine, Alternateur, Aimantspermanents, Cyclerécupéré Vincent POUMAREDE Turboméca (groupe SafranJ Développé spécifiquement pour la génération de puissance électrique navale, ce turboalternateur innovant de 1,8 MW combine compacité, faible consommation et performances élevées. Introduction Après avoir percé sur le marché des bâtiments civils de fort tonnage, la propulsion électrique est en train de devenir une réalité sur les navires militaires. En effet, les besoins en puissance propulsive d'un bâtiment de combat varient de manière considérable en fonction de la vitesse, de quelques mégawatts lors des manoeuvres à faible allure jusqu'à plusieurs dizaines de mégawatts à vitesse maxi- male. La consommation électrique de bord est également susceptible de varier très rapidement, par exemple lors de la mise en marche de systèmes d'armes. La flexibilité des architectures de type " tout électrique " ou hybride - pour lesquelles une partie de la propulsion reste assurée par entraînement direct -, basées sur la mise en fonctionne- ment graduelle de groupes électrogènes auxiliaires pour la génération d'énergie électrique de bord et la propulsion à faible vitesse, et d'une ou plusieurs unités de production de forte puissance lors des pointes de vitesse, permettent d'optimiser la consommation de combustible et l'usure des machines, celles-ci fonctionnant toujours dans leur plage de rendement optimal. Déjà utilisées depuis une vingtaine d'années dans la marine civile et militaire pour la propulsion directe ou - plus récemment - électrique, les turbines à gaz ont ten- dance à se généraliser, car elles offrent d'importants avantages par rapport au moteur diesel : masse et encom- brement nettement plus faibles, fiabilité et disponibilité élevées, maintenance réduite et peu coûteuse, faible niveau de vibrations, démarrage rapide sans préchauf- fage. Pour les puissances supérieures à quelques dizaines de mégawatts, les turbines à gaz modernes parviennent même à offrir un rendement équivalent aux moteurs à pistons. En revanche, pour les puissances plus faibles, la turbine est traditionnellement désavantagée par rapport au diesel par un coût d'acquisition élevé - souvent lié à son origine aérodérivée - et par une consommation spé- cifique plus importante, notamment à charge partielle. C'est pourquoi les groupes électrogènes auxiliaires, d'une puissance inférieure à quelques mégawatts, sont toujours majoritairement entraînés par des diesels. C'est dans ce cadre que le projet ACL GTA (Advanced Cycle Low-power Gas Ttii-bine Alternator ou turboalternateur de faible puissance à cycle avancé) a été lancé par Turboméca en décembre 2000. Il fait suite à un contrat attribué par le Ministère de la Défense britannique (MoD), la Délégation générale à l'armement finançant pour partie ce programme de démonstration. Son objectif consiste à réaliser un groupe turboalternateur d'une puissance ESSENTIEL SYNOPSIS Le démonstrateur de ce nouveauturboalternateur de 1,8 MWe constitué d'une turbine à gaz à cycle récupéré, d'un alternateur rapideàaimantspermanentset de son électroniquede puissance, a été spécifiquementconçupour la générationde puissanceélec- trique embarquée à bord de navires militaires. Très compact et doté de performancesélectriques élevées, il bénéficie en outre d'une consommationspécifiqueréduite et possèdede nombreux avantagesopérationnels. Ratedat 1,8 MW, the demonstrator of this new gas turbine alter- nator,which consists in a gas turbine usinga recuperatedcycle,a high speed permanent magnets alternator and its associated power electronics, has been specifically developedfor electrical power generation on board of the latest generation of military ships.Very compact and boasting high electricalperformances,it also benefitsfrom a reducedspecific fuel consumptionand brings numerousoperationalbenefits. REE io 4 Avril2006 . Dossier) LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. EVOLUTIONS TECHNIQUES RÉCENTES DES EQUIPEMENTS (z,llIpartie) de 1,8 MW destiné à fournir l'énergie électrique auxi- liaire à bord de navires militaires de type " tout électri- que ", qui soit capable de concurrencer les diesels alterna- teurs modernes sur le plan du coût global d'utilisation tout en gardant les avantages de la turbine, notamment en termes de compacité, de fiabilité, de simplicité d'entre- tien, de discrétion acoustique et d'émissions polluantes réduites. 2. L'architecture de l'ACL GTA Le groupe ACL GTA présenté sur la figure 1 se com- pose essentiellement d'une turbine à gaz, d'un récupéra- teur de chaleur, d'un alternateur à aimants permanents, d'une armoire de puissance et d'une armoire de contrôle- commande. Tous ces équipements sont montés sur un châssis robuste et sur des amortisseurs conçus pour résis- ter aux contraintes de choc militaires. Dans cette configu- ration, le turboalternateur pèse 12 tonnes, soit environ moitié moins qu'un diesel alternateur comparable, pour un encombrement (L x 1x H) de 6,9 m x 2 m x 2,7 m, lui aussi sensiblement plus réduit que ses concurrents à pistons. La turbine industrielle Ti 1800 (voir figure 2), qui peut fournir jusqu'à 2 MW en conditions ISA (15° C, niveau de la mer), a été spécifiquement développée par Turboméca pour des applications terrestres et marines. Il s'agit d'une machine monoarbre de conception simple et robuste fonctionnant au fioul domestique, comprenant un compresseur centrifuge en titane et deux étages de tur- bine. Le même arbre entraîne également l'alternateur, à la vitesse nominale de 22 500 tours par minute. Cette archi- tecture, dite à turbine liée, est particulièrement perfor- mante en termes de stabilité aux impacts de charge en rai- son de son inertie élevée. La TilSOO présente la particu- larité de mettre en oeuvre un cycle récupéré, dont le prin- cipe est exposé sur la figure 3 : l'air de combustion (1) est comprimé (2), puis dirigé par des tuyauteries (3) vers le récupérateur de chaleur (4), un échangeur thermique où il est réchauffé par les gaz brûlés éjectés par la tuyère. Il est ensuite conduit (5) vers la chambre de combustion (6) où le mélange air-carburant est enflammé et se détend dans les turbines (7), produisant le couple mécanique nécessaire à la rotation du compresseur et de l'alternateur. Les gaz de combustion, évacués par la tuyère (8), sont conduits au travers du récupérateur jusqu'à l'échappe- ment (9). Construit en acier inoxydable et conçu pour résister à des contraintes thermiques élevées, le récupéra- teur est une pièce essentielle du groupe : ilpermet d'aug- menter le rendement de la turbine de 26 % à présde 36 %, et donc de diminuer considérablement la consommation spécifique. Celle-ci atteint 215 g/kWh sur l'arbre à charge nominale, valeur proche de celle des moteurs diesels Récuperateur A!tematEtfr g,,,d,grantiovrtessc i C en irp..dj1' '<0 " ",,-,/'s- f ,... ',./..,. _..... " ".... o- )'..-e,.rtisseurs7urWnea qn.-THB&O.,',/./-* Modu ! e/'<. ; lubrification Sortie Armoire controle commande CSSSissurChjssis sur ' " 1 A1 "e.lj e Flectronique ao pulssancodopu!ssancc- Figure 1. Viie di (grotipe ACL GTA. - ¥ ';';"'iN_,... "',,- ""''''.:'' !'".' JI1!,'' , fit';;; "". "",Jill" a sy 1""i "'W' .'0: A' , z i_ .k ,s rE .. ! tA i:! 'II j ".- j.l'., " J ". t t f d 3r p t! W - . t F . J7 .- ,J'itt';.;>>-"'" --,""' " y k= oie ". .- "<. ,,'?../'ç. Figure 2. Titrbine 180OTiet son i-écupéi-aleiii-. équivalents, et remarquable pour une turbine industrielle de cette puissance. D'autre part, le récupérateur diminue notablement le bruit ainsi que la température des gaz d'échappement, améliorant d'autant les signatures acous- tique et infrarouge du navire. Afin de diminuer la consommation spécifique à charge partielle, la consigne de vitesse de la turbine est asservie à la puissance dans une plage comprise entre 19 000 et 22 500 tours par minute. En diminuant la vitesse de rotation à charge par- REE No 4 Avril2006 1 L'ACL GTA, un turboalternateur de conception avancée pour a plications navales Airsortie coinpresseur Clwl11bre de Air combustionréchauffé Echappettten ( Air i ! j °1 f Air H > ji Co,iiF) resse,, f,rbiiie G,, lu Figure 3. Principe dzr çvcle récupéré. ... 1 (\ " , I.. 'i< ", , ..- -. - . -.,- -'._<. ",-<<- Figure 4. Alternaleur à grande vitesse. tielle, on diminue le débit d'air absorbé par la machine, ce qui permet de maintenir les gaz d'échappement à une température élevée et donc de conserver l'efficacité du récupérateur, tout en diminuant la fatigue liée aux cycles thermiques (fluage). Ce mode économique est possible grâce à l'électronique de puissance, qui permet de rendre la forme d'onde de la tension de sortie indépendante de la vitesse et donc de la fréquence de l'alternateur. La seconde innovation de l'ACL GTA repose sur l'alternateur rapide, ou HSA (High Speed Alternator), directement entraîné par la turbine. Utilisé en moteur pour le démarrage, le HSA optimise considérablement le système en évitant le recours à un réducteur de vitesse - traditionnellement nécessaire pour l'entraînement d'un alternateur conventionnel - ainsi qu'à un démarreur, autant d'équipements lourds, coûteux et générateurs de vibrations. Spécifiquement développé par la société cali- chemisede stitoi ,et, o, (l sele,) t 1 1 enUee 98 % Masse 7000 kg 850 kg Longueur - 3 m 1,35m Diamètre - 1,3 m 0,72m Dernier maillon de la chaîne de conversion d'énergie, l'électronique de puissance ou EU (Electronic Unit) a pour principale fonction de convertir la tension fournie par le HSA, dont la fréquence et l'amplitude varient avec la vitesse de la turbine, en une tension de sortie continue de 800 V, avec des contraintes de précision et de perfor- mances dynamiques spécifiées par le cahier des charges du MoD. Elle assure également plusieurs fonctions auxi- liaires : démarrage, alimentation des servitudes et gestion des batteries de démarrage. L'architecture électrique de l'EU, présentée schématiquement sur la figure 6, com- prend deux parties distinctes : . La chaîne de conversion principale est constituée d'un pont de diodes qui redresse la tension fournie par le HSA et alimente un bus continu intermédiaire, dont la tension varie entre 900 et 1400 VDC en fonction de la vitesse et de la charge. La tension continue de sortie 800 V est générée par deux grou- pes de hacheurs dévolteurs de type " Buck " connec- tés en série. Cette topologie inhabituelle, imposée par l'aire de sécurité des IGBT 1200 V sélection- nés, réclame une régulation spécifique de la tension du point milieu du bus. Ces semi-conducteurs ont été préférés à des modèles de 3300 V afin d'optimi- ser le coût ainsi que les pertes de l'EU. La com- mande par MLI des hacheurs, dont la fréquence de découpe individuelle est de l'ordre de 6 kHz, est entrelacée afin de réduire les harmoniques et d'opti- miser la taille du filtre de sortie. Le courant de sortie maximal de 2500 A correspond à la puissance de surcharge demandée pendant une heure, soit 1980 kW. On notera qu'une tension de sortie alter- native 60 Hz est également envisageable, moyen- nant le remplacement des hacheurs de sortie par des onduleurs. . La partie " servitudes " s'organise autour d'un bus et REE N04 Avi il 2006 L'ACL GTA, un turboalternateur de conception avancée pour applications navales J'---;- ITI 1 1 1 1 1 l, 1 1 ''' """''j " "' Rcsuttntsd'essais 'j k CSLJtrÜscessaisdsliltats CI essais 5*'. c.' !'- - --- -.-- - - - - - -- - - - - - -- :,-,------------ .. " I " _. u --- --------- 1". i 1 1 _--.__________ j [io :-'- :'- -------.'---- -----i- --- i ! 1 1 1-- i 1 1 f- __ ____________________ ______________ 0 ____.______________-,__ _ ________________--'. 0 bjc et if U''-'_ _ __ _, ______,,, j__ _, ..' !o,-'., ,', 1-,-' ! ! \. i v I Î I r "'1 -..L.',.o', " T- - l i LLI J. !'Jj t';LL' l' E l' " ; 1 1,' " 1, Pmssanceélectriquc(kWe) Figiii-e7.Consoiiiniation spécifiqtie. de trois convertisseurs auxiliaires. Pendant la phase de démarrage,un hacheurréversible élève la tension fournie par les batteries jusqu'à environ 900 V. Le rôle de l'onduleur de démarrage est d'entraîner le HSA en moteur pour démarrer la turbine. Enfin, un onduleur auxiliaire 60 Hz de quelques kilowatts est chargé de l'alimentation des diverses pompes : huile, eau et carburant. En fonctionnement normal, le groupe estautonome, le bus et l'onduleur auxiliai- res étant alimentés par la sortie 800 V DC ; le hacheur réversible est alors commandé en dévolteur pour recharger les batteries, selon une loi courant- tension adaptée. Tous les convertisseurs sont constitués de modules de puissance à IGBT à refroidissement liquide d'origine industrielle, adaptésaux exigences de la marine militaire. L'armoire, particulièrement compacte, a fait l'objet d'étu- des spécifiques pour respecter des normes d'environne- ment, de choc et de CEM sévères.Son rendementà pleine charge est supérieur à 98 %. Le circuit d'eau qui refroi- dit l'EU, le stator du HSA ainsi que l'huile de lubrifica- tion des machines tournantes, est chargé d'évacuer les pertes via un échangeureau/eaude mer. L'armoire de contrôle-commande, ou MCS (Monito- ring & Control Systeni),abrite le calculateur de la turbine, l'automate chargé de la gestion du groupe, l'appareillage de commandedesmoteursélectriques auxiliaires ainsi que les différentes sécurités, notamment un dispositif redon- dant de protection contre les survitesses.Elle communique avec l'EU par une liaison série. Le logiciel du calculateur est basésur un modèle transitoire complet de la turbine et du récupérateur. Il incorpore des fonctions de calcul de cycle et d'endommagement utilisées pour la maintenance prédictive de la turbine. Conçue pour être intégrée à la supervision d'un navire, la conduite du groupe s'opère à distance par l'intermédiaire d'une interface graphique évoluée,qui permet en outre deréaliserdestâchesde para- métrageet de diagnostic avancées. Résultats d'essais . Turbine et récupérateur : La campagne d'essai sur la turbine a totalisé envi- ron 300 heuresd'essais répartiessur 3 moteurs, per- mettant d'acquérir jusqu'à plusieurs centaines de points de mesure par essai.Cette campagneincluait de nombreux essais : mécanique, performances, pollution, transitoires rapides, coloration desparties chaudes,mesuresde vibrations et de bruit, démarra- ges par temps chaud et froid, essais d'ingestion d'eau, ainsi qu'une endurancede 50 heuresqui s'est déroulée sans incident. La figure 7 présente les courbes de consommation spécifique théorique et expérimentale, en g/kWh, obtenues en mode économique (vitesse variable) lors despremiers essaisde la turbineau banc d'essai turbine. Les résultats, présentésen conditions ISA et en termes de puissance électrique utile (corrigés pour tenir compte du rendement de J'EU et du HSA), sont très proches desvaleurs-cibles. Le tableau ci-dessousdonne les résultatspréliminai- res des mesures de pollution à différents régimes. Les taux de monoxyde de carbone(CO) et d'hydro- carbures imbrûlés (UHC) sont inférieurs aux atten- tes, indiquant une combustion quasi parfaite - les niveaux d'émissions d'une turbine à gaz sont tradi- tionnellement très faibles -. Seul le niveau desNOx est légèrement supérieur à l'objectif : ce résultat est principalement dû au léger déficit de performances du prototype de la turbine sur laquelle ces mesures ont été effectuées, mais reste très inférieur aux 11 g/kWh autorisés actuellement pour les diesels. Polluant Objectif (g/kWh) Mesuré(g/kWh) CO 2,5 0,2 UHC 0,5 0,05 NOx 3,5 4,0maxi REE No 4 Avi il 2006 LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. EVOLUTIONSTECHNIQUES RÉCENTESDES EQUIPEMENTS (, ? ... 0 partie) I 'q I II(2SSCILp.lIS:'i?IILiE' , Couv 1cn-a:en Nn'..'.. :C:' :/\ 1. ------- i l, : m.. PP Nt._ LI. ta aeY I ::: 0'-"'"'1 "'t... 1 1<: 1 l " : 1 'l'1 \ i w'\' m d >,/, /\ -----__.___.__-------- Ip ll: i -Lj/\ ;. ='/ 1 /\ \ o \- '00:-/ '/'/ . f 4 ' " w 0 U 1 -) 41, Temps (s) Figure(, 8. écliieiice de cléiiiai-i-age. Les derniers essaisde démonstration de la turbine viennent de s'achever et font l'objet d'analyses détaillées. Celles-ci permettront d'identifier les écarts par rapport aux objectifs techniques et les modifications de conception qui feront l'objet de la campagned'essais de préqualification. Alternateur : Outre des essaispartiels de sous-ensemblesréalisés en début de projet afin de limiter les risques techno- logiques, l'alternateur rapide a de soncôté subi avec succèschez le fournisseur des essaisà vide à pleine vitesse et plein courant à mi-vitesse. Ces essaisont montré que la force électromotrice de la première machine est 8 % plus élevée que prévue, et que les pertes globales sont environ 10 % plus faibles que les estimations. Ils ont également permis de vérifier les caractéristiques dynamiques ainsi que les para- mètres de refroidissement et de lubrification. L'essai de court-circuit a quant à lui permis de vali- der la stabilité des aimants vis-à-vis des contraintes thermiques et magnétiques. Groupe complet : Après des essais d'intégration destinés à s'assurer que les différents composantsfonctionnaient correc- tement ensemble, le démonstrateur complet du groupeturboalternateura été installé au bancd'essais de l'usine Turboméca de Bordes, et les premiers démarragesde la turbine via le HSA ont eu lieu. La figure 8 présenteles courbes caractéristiques d'une séquencede démarrageà froid. La puissanced'en- traînement maximale requise est d'environ 40 kW pendant une vingtaine de secondes ; l'onduleur de démarrageestcoupélorsquelavitesseatteint11000tours par minute, seuil à partir duquel la turbine est en mesure d'accélérer par ses propres moyens. Le ralenti estatteint en 84 secondes,bien quecettedurée puisse encore être optimisée. Les essaisde perfor- mancedu groupe complet sontencourset ont récem- ment pennis d'atteindre la puissancede 1400 kW électrique en régime stabilisé. Ils se poursuivent au fur et à mesure de la mise au point des logiciels de l'EU, avec pour objectif la puissancemaximale de 1980 kW. La dernière étape du programme de démonstration consiste en des essaistransitoires, au cours desquels le groupe serasoumis à de brusques variations de charge. 4. Bénéfices de rACLGTA En résumé, les principaux avantagesopérationnels de l'ACL GTA sont les suivants : . Masse et encombrement réduits, permettant une flexibilité maximale d'installation dans la coque . Faible consommation d'huile et émissions polluan- tes très réduites, compatibles sans surcoût avec les réglementations environnementales actuelles et futures les plus exigeantes . Fiabilité et disponibilité élevées ;besoinsen mainte- nance très réduits, permettant une optimisation des coûts de main d'oeuvre et des pièces de rechange embarquées. La durée entre deux révisions du moteur est typiquement de l'ordre de 18 000 heures REE NI 4 AN til 1006 . Vibrations émises à hautes fréquences et de très fai- bles niveaux, ce qui élimine le besoin d'une double suspension élaborée pour leur filtrage et autorise une grande discrétion acoustique . Performances transitoires élevées, aussi bien en fré- quence - grâce à l'inertie élevée de la turbine liée et du HSA - qu'en tension - en raison de l'électronique de puissance -, qui constituent des avantages vis-à- vis de la stabilité du réseau d'un navire de combat " tout électrique " pouvant être soumis à des varia- tions de charge très rapides . Démarrage rapide (moins de 90 secondes) et fiable, sans nécessité de préchauffage préalable . Consommation spécifique réduite par rapport aux turboalternateurs conventionnels, grâce notamment à l'utilisation du cycle récupéré, à la vitesse variable et à l'optimisation de la chaîne de conversion élec- trique. 5. Conclusions Cet article a présenté un groupe turboalternateur d'une puissance de 1,8 MW pour applications navales militaires, composé d'une turbine à gaz, d'un récupéra- teur de chaleur, d'un alternateur à entraînement direct et d'une armoire de puissance. Ce groupe électrogène de masse et dimensions réduites combine une consommation spécifique réduite de 225 g/kWhe (± 5 %) à puissance nominale avec un coût d'utilisation global compétitif, tout en offrant des avantages opérationnels notables en ter- mes d'émissions polluantes, de fiabilité, de performances transitoires et de discrétion. Les essais de démonstration réalisés jusqu'ici sur la turbine, sur l'alternateur et sur le groupe complet sont très encourageants, et vont conduire à définir la campagne d'essais de développement ulté- rieur qui permettra d'atteindre les principaux objectifs techniques du projet de démonstration, faisant de l'ACL GTA une alternative de choix pour la production d'éner- gie auxiliaire à bord des navires de nouvelle génération. Références il) N. McCALLUM, C. ENGLISH, B. WATIER : " Development of the Advanced Cycle Low Power Gas Turbine Alternato ; ASMETurbo Expo (Vienna), 2004. [2] C. HUYN, L. HAWKINS, A. FARAHANI, P McMULLEN : "Design and Development of a two Megawatts, High Speed Permanent Magnet Alternator for Shipboard Application','Calnelix inc. (Cerritos, CA), 2004. L'auteur VincentPoumarèdeestdiplôméen génieélectriquede l'Ecole nationalesupérieured'électricitéet de mécaniquede Nancy,pro- motion1996.Aprèsunepremièreexpériencechezlefabricantde matériel de levage KCI Konecranes, ilairavaillé6 ansà ! a concep- tiondechaînesdetractionferroviairesentantqueconsultantpour Alstom-Transport.Depuis2003,il est intégrateurdes systèmes électriquesetélectroniquesàlaDivisiondesturbinesterrestreset marinesdeTurboméca Igroupe Safran/. REE Nn 4 Avi il 2006