FR3020838B1 - Moteur a turbine a gaz a demarreur en prise avec un corps basse pression - Google Patents

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Abstract

Moteur (10) à turbine à gaz multi-corps (12, 14), notamment moteur d'aéronef, comportant au moins un corps tournant basse pression (12), un corps tournant haute pression (14), et un démarreur (30) configuré pour entraîner en rotation le corps haute pression (14) afin de démarrer le moteur (10), caractérisé en ce que le démarreur (30) est accouplé au corps basse pression (12) et en ce que le moteur (10) comporte un premier dispositif (42) d'accouplement débrayable, qui est interposé entre le corps basse pression (12) et le corps haute pression (14), pour lier en rotation le corps haute pression (14) au corps basse pression (12) afin de permettre le démarrage du moteur (10) par le démarreur (30).

Description

Domaine de l’invention
Le domaine de la présente invention est celui des moteurs à turbine à gaz, tels que des turbomachines, et en particulier ceux destinés à la propulsion des aéronefs. L'invention concerne plus particulièrement le démarrage d’un moteur à turbine à gaz multi-corps.
Etat de la technique
Un moteur à turbine à gaz multi-corps comprend au moins deux corps tournants ; la majorité est à double ou à triple corps, mais un nombre plus élevé n’est pas exclu. Un corps est constitué d’un rotor tournant autour d’un axe, avec un arbre reliant un module formant compresseur et un module formant turbine, le module de compresseur étant entraîné par le module de turbine par l’intermédiaire de l’arbre.
Une partie de l’énergie générée par le moteur est utilisée pour entraîner différents équipements de ce dernier. Conventionnellement, la totalité de la puissance requise est prélevée mécaniquement sur l’arbre du corps haute pression du moteur, par un arbre de prise de mouvement qui est disposé sensiblement radialement par rapport à l'arbre dudit corps haute pression et qui est relié à un boîtier d’entraînement d’équipements accessoires connu généralement sous la dénomination de boîtier d’accessoires ou sous la dénomination anglaise "accessory gear box" et son acronyme AGB. Le boîtier d'accessoires est monté dans la nacelle du moteur et il est relié à un certain nombre d’équipements ou accessoires tels que notamment un ou plusieurs générateur(s) électrique(s), des pompes hydrauliques à carburant et à huile et un démarreur.
La tendance actuelle est d’augmenter l’alimentation en énergie électrique pour les accessoires, et il est nécessaire à cette fin d'utiliser des générateurs qui nécessitent pour leur fonctionnement une puissance mécanique accrue. La fourniture d’une puissance mécanique accrue tout en maintenant l’opérabilité de la turbomachine dans l’ensemble de son domaine de vol nécessite de trouver une autre solution que le prélèvement de la puissance sur l'arbre du corps haute pression.
Une solution pourrait consister à effectuer le prélèvement sur le corps basse pression du moteur.
Or le moteur ne peut démarrer sans une phase de mise en rotation préalable du corps haute pression. C'est seulement lorsque l'arbre du corps haute pression atteint une vitesse de rotation suffisante que le compresseur correspondant peut fournir suffisamment d'air à la chambre de combustion dans le but de permettre le démarrage du moteur.
Exposé de l’invention
Une solution consiste donc à accoupler le démarreur au corps basse pression du moteur, et de permettre un accouplement du corps basse pression avec le corps haute pression pendant la phase de démarrage.
En effet, l’augmentation des besoins en puissance des générateurs électriques permet également de concevoir des machines électriques qui peuvent être utilisées de façon réversible en moteur électrique. La puissance d'une telle machine est suffisante pour mettre en rotation le corps haute pression du moteur.
Dans ce but, l'invention propose un moteur à turbine à gaz multi-corps, notamment moteur d’aéronef, comportant au moins un corps tournant basse pression, un corps tournant haute pression, et un démarreur, caractérisé en ce que le démarreur est accouplé au corps basse pression et en ce que le moteur comporte un premier dispositif d'accouplement débrayable, qui est interposé entre le corps basse pression et le corps haute pression, pour lier en rotation le corps haute pression au corps basse pression afin de permettre le démarrage du moteur par le démarreur.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le premier dispositif d'accouplement est configuré pour être mobile entre : • une première position, selon laquelle le dispositif d'accouplement est embrayé, pour que le corps basse pression entraîne le corps haute pression, • une seconde position, selon laquelle le dispositif d'accouplement est débrayé dès lors qu'une vitesse du corps basse pression devient inférieure à celle du corps haute pression, - le premier dispositif d’accouplement est du type à roue libre, - le corps basse pression comprend un arbre monté coaxialement dans ou sur un arbre du corps haute pression, le premier dispositif d’accouplement à roue libre étant monté entre les arbres des corps basse et haute pression, - le premier dispositif d’accouplement comprend une roue libre à éléments de coincement, notamment une roue libre à galets, billes, rouleaux ou osselets, - le moteur comporte un boîtier d’entraînement d’équipements accessoires du moteur, - le boîtier est accouplé au corps basse pression par l'intermédiaire d'un arbre disposé sensiblement radialement par rapport au corps basse pression, - le démarreur est un démarreur pneumatique et un second dispositif d'accouplement débrayable est interposé mécaniquement entre ledit démarreur pneumatique et l'arbre reliant radialement le boîtier d’entraînement des équipements accessoires au corps basse pression, - le second dispositif d'accouplement débrayable est une seconde roue libre, qui est notamment interposée entre ledit démarreur pneumatique et le boîtier d’entraînement des équipements accessoires, - le démarreur est une machine électrique réversible formant démarreur et générateur.
Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz selon un état antérieur de la technique, - la figure 2 est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz selon l'invention, et - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un exemple de dispositif d’accouplement à roue libre pour un moteur à turbine à gaz selon l'invention.
Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires.
Description détaillée
On a représenté sur la figure 1 un moteur 10 à turbine à gaz multi-corps, notamment destiné à équiper un aéronef.
De manière connue, comme l'illustre la figure 1, le moteur 10 comporte au moins un corps tournant basse pression 12 et un corps tournant haute pression 14. Les corps basse pression 12 et haute pression 14 sont co-rotatifs.
Le corps basse pression (BP) 12 comporte pour l'essentiel, suivant le sens d'écoulement des gaz "G", un rotor de compresseur BP 16 relié par un arbre BP 18 à un rotor de turbine BP 20.
Le corps haute pression (HP) 14 comporte pour l'essentiel, suivant le sens d'écoulement des gaz, un rotor de compresseur HP 22 relié par un arbre HP 24 à un rotor de turbine HP 26. Une chambre de combustion (non représentée) est montée entre le compresseur HP et la turbine HP et délivre des gaz de combustion à la turbine HP, dans laquelle les gaz de combustion se détendent pour entraîner en rotation le rotor de la turbine HP 26, qui entraîne à son tour le rotor de compresseur HP 22 par l'intermédiaire de l’arbre HP 24.
Les arbres BP 18 et HP 24 sont coaxiaux. L’arbre HP 24 tubulaire est traversé axialement par l’arbre BP 18 qui est ainsi entouré par l’arbre HP 24.
Dans cette configuration, le compresseur BP alimente en air le compresseur HP qui alimente à son tour en air la chambre de combustion (non représentée). La turbine HP alimente en gaz de combustion la turbine BP.
De manière connue, le moteur 10 comporte un boîtier 28 d’entraînement des équipements accessoires dudit moteur, ou boîtier d’accessoires, qui est monté sur le carter de soufflante ou le carter compresseur HP (non représentés) du moteur et qui porte au moins un démarreur 30 qui est susceptible d'être accouplé en rotation au corps haute pression 14 pour permettre notamment l'entraînement de ce corps 14 en rotation afin de démarrer ledit moteur.
Le boîtier d’entraînement des équipements accessoires 28 porte aussi un certain nombre d’équipements ou accessoires tels que notamment un générateur électrique, un alternateur, des pompes hydrauliques à carburant et à huile (non représentés).
Le démarreur 30 doit nécessairement être accouplé au corps haute pression 14 pour permettre le démarrage du moteur. En effet, c'est à cette seule condition que la chambre de combustion reçoit suffisamment d'air du compresseur HP 22 pour initier la combustion. Une alimentation de la chambre de combustion par le seul compresseur BP 16 ne suffirait pas à permettre le démarrage du moteur.
Le boîtier d’entraînement des équipements accessoires 28 est accouplé à l'arbre HP 24 du corps HP 14 du moteur, que ce soit pour fournir une puissance motrice issue du démarreur 30 ou pour prélever une puissance motrice sur l'arbre 24 afin de permettre le fonctionnement des équipements ou accessoires dudit boîtier 28.
Pour ce faire, un arbre 32 de prise de mouvement est disposé sensiblement radialement par rapport à l'arbre HP 24. Cet arbre 32 comporte à une extrémité un pignon 34 qui est accouplé à un pignon de sortie 36 de l"arbre HP 24 et à une extrémité opposée un pignon 38 qui est relié à un pignon d’entrée 40 du boîtier d’entraînement des équipements accessoires 28.
Or, la tendance actuelle est d’augmenter l’alimentation en énergie électrique pour les accessoires du boîtier 28, et il est nécessaire à cette fin d'utiliser des générateurs qui nécessitent pour leur fonctionnement une puissance mécanique accrue. La fourniture d’une puissance mécanique accrue, tout en maintenant l’opérabilité du moteur dans l’ensemble de son domaine de vol, nécessite de trouver une autre solution que le prélèvement de la puissance sur l’arbre 18 du corps haute pression 14.
En effet, il n'est pas envisageable, en phase de fonctionnement nominal moteur, d'effectuer un prélèvement de puissance sur le corps HP 14, car cela risquerait de perturber le fonctionnement de la turbomachine par un phénomène de pompage.
Une solution consiste à effectuer le prélèvement de la puissance mécanique requise sur le corps basse pression 12. H se pose alors le problème de l'entraînement du corps haute pression 14 lors du démarrage du moteur.
Comme l'illustre la figure 2, l'invention remédie à ces inconvénients en proposant un moteur 10 du type décrit précédemment, comportant un démarreur 30, en prise sur l’arbre 18 du corps basse pression 12 du moteur 10, et comportant un dispositif d’accouplement dudit corps basse pression 12 avec le corps haute pression 14 pendant la phase de démarrage.
Dans ce but, comme l'illustre la figure 2, l'invention propose un moteur 10 du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le boîtier 28 est accouplé au corps basse pression 12 et en ce que le moteur 10 comporte un premier dispositif d'accouplement 42 débrayable, qui est interposé entre le corps basse pression BP 12 et le corps haute pression 14, pour lier en rotation le corps haute pression 14 au corps basse pression 12 afin de permettre le démarrage dudit moteur 10 par le démarreur 30. D'une manière similaire à la configuration précédente, un arbre 32 de prise de mouvement est disposé sensiblement radialement par rapport à l'arbre BP 18 du corps basse pression 12. Cet arbre 32 comporte à une extrémité un pignon 34 qui est accouplé à un pignon de sortie 36 de l'arbre BP 18 et à une extrémité opposée un pignon 38 qui est relié à un pignon d’entrée 40 du boîtier d’accessoires 28.
Par ailleurs, le premier dispositif d'accouplement 42 est configuré pour être commandé en réponse à la vitesse relative des corps basse et haute pression 12 et 14.
Le premier dispositif d'accouplement 42 est ainsi mobile entre : - une première position, selon laquelle le dispositif d'accouplement 42 est embrayé, pour que le corps basse pression 12 entraîne le corps haute pression 14, - une seconde position, selon laquelle le dispositif d'accouplement 42 est débrayé dès lors qu'une vitesse du corps basse pression 12 devient inférieure à celle du corps haute pression 14.
Le moteur 10 pourrait ainsi comporter un dispositif d'accouplement 42 commandé et un moyen de commande associé de ce dispositif d'accouplement 42 qui serait susceptible d'occuper la première position, selon laquelle ledit moyen commanderait l'embrayage du dispositif d'accouplement 42.
Selon la conformation de ce dispositif d'accouplement 42 commandé, celui-ci pourrait être embrayé dès le démarrage du corps basse pression 12, ou au contraire être embrayé progressivement après le démarrage du corps basse pression 12.
En tout état de cause, dans cette première position, le démarreur 30 peut entraîner le corps basse pression 12, qui entraîne à son tour le corps haute pression 14 par l'intermédiaire du premier dispositif d'accouplement 42. Cette première position permet donc de démarrer le moteur 10.
Puis, dans une seconde position, associée à une vitesse du corps basse pression 12 devenue inférieure à celle du corps haute pression 14 après le démarrage, le moyen de commande pourrait provoquer le débrayage du dispositif d'accouplement 42. Dans cette seconde position, le corps haute pression 14, après le démarrage du moteur 10, atteint une vitesse de rotation suffisante pour qu'il ne soit non seulement plus nécessaire de l'entraîner, mais qu'il soit de plus nécessaire de désaccoupler le corps haute pression 14 du corps basse pression 12. En effet, il est nécessaire d'éviter que le corps haute pression 14 n'entraîne le corps basse pression 12 à une vitesse trop élevée, afin d’éviter la dégradation de la turbomachine et de la chaîne d’entrainement des équipements du système de régulation (équipements y-compris).
Le premier dispositif d'accouplement 42 débrayable pourrait être constitué d'un embrayage mécanique, hydraulique ou électromagnétique, et le moyen de commande associé de ce premier dispositif (non représenté) pourrait être réalisé selon tout mode de réalisation connu de l'état de la technique propre à commander ce dispositif d'accouplement selon les deux positions précédemment évoquées. Notamment, le moyen de commande pourrait comporter un vérin mécanique, hydraulique ou électromagnétique, commandé par une électronique associée.
Toutefois, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le premier dispositif d’accouplement comprend simplement une roue libre 42 qui est interposée entre le corps basse pression 12 et le corps haute pression 14, et plus exactement entre les arbres BP 18 et HP 24.
Dans cette configuration la roue libre 42 est donc mobile entre une première position, associée par défaut au démarrage du moteur 10, selon laquelle elle est embrayée, et une seconde position, associée à une vitesse du corps basse pression 12 devenue inférieure à celle du corps haute pression 14, selon laquelle elle est débrayée.
La roue libre 42 assure donc seule les fonctions d'accouplement débrayable et de commande précitées.
Dans la suite de la présente description, on désignera donc par la référence 42 le dispositif de roue libre formant le premier dispositif 42 d'accouplement débrayable.
De préférence, le premier dispositif 42 de roue libre est un dispositif de roue libre à éléments de coincement, notamment une roue libre à galets, billes, rouleaux ou osselets. A titre d'exemple, la figure 3 illustre un dispositif de roue libre 42 à rouleaux 44. Un tel dispositif comporte un moyeu intérieur 46 qui est solidaire de l’arbre BP 18 et qui est reçu dans une bague extérieure 48 solidaire de l’arbre HP 16. Le moyeu 46 comporte des cavités 50 munie de rampes 52 le long desquelles sont mobiles des rouleaux 44 qui sont rappelés élastiquement par des ressorts 54 vers la bague extérieure 48.
Selon le sens de rotation relatif du moyeu intérieur 46 et de la bague 48, les rouleaux 44 se bloquent entre les rampes 52 et la bague extérieure 48, verrouillant ainsi le dispositif de roue libre 42.
Sur la figure 3, le dispositif de roue libre est verrouillé dès lors que le moyeu intérieur 46, solidaire de l’arbre BP 18, tourne dans le sens "D" de démarrage. La rotation de l’arbre BP 18 entraîne la rotation du moyeu intérieur 46 ce qui provoque le coincement des rouleaux 44 entre les rampes 52 et la bague extérieure 48, par effet de cône. La bague extérieure 48, et donc l’arbre HP, sont alors entraînés en rotation par l’arbre BP 18, dans le sens "F". Après démarrage du moteur, la vitesse de rotation de l’arbre HP et donc de la bague 48 est supérieure à celle de l’arbre BP 18. Les rouleaux 44 sont alors éloignés des rampes 52 et roulent entre la bague 48 et le moyeu 46, ce dernier n’étant alors pas entraîné par la bague 48. La bague 48 et l’arbre HP sont alors déverrouillés et tournent dans le sens "F" de fonctionnement du moteur 10 sans entraîner l’arbre BP 18.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention qui a été représenté à la figure 2, le démarreur 30 est un démarreur pneumatique conventionnel et un second dispositif d'accouplement débrayable 56, notamment une seconde roue libre, est interposée mécaniquement entre ledit démarreur pneumatique 30 et l'arbre 32, afin que le démarreur 30 ne soit pas entraîné une fois que le moteur 10 est démarré. Notamment, ce dispositif d'accouplement débrayable 56 est interposé entre ledit démarreur pneumatique 30 et le boîtier 28, comme représenté à la figure 2.
En variante (non représentée), le démarreur 28 pourrait être une machine électrique réversible formant démarreur et générateur. En effet, l’augmentation des besoins en puissance des générateurs électriques permet également de concevoir des machines électriques qui peuvent être utilisées de façon réversible en moteur électrique. La puissance d'une telle machine est suffisante pour constituer un démarreur permettant de mettre en rotation les corps basse et haute pression 12, 14 du moteur 10.
On remarquera que selon cette variante (non représentée), deux configurations sont possibles.
Selon une première configuration, d'une manière analogue au mode de réalisation précédemment décrit en relation avec la figure 2 qui illustre un moteur 10 comportant un démarreur pneumatique, un dispositif d'accouplement débrayable commandé peut être interposé entre la machine électrique et le boîtier 28.
Ce dispositif d'accouplement débrayable peut permettre dans certaines configurations de débrayer la machine électrique fonctionnant en générateur, par exemple lorsque le moteur 10 est déjà démarré et si suffisamment d'énergie a par ailleurs été stockée dans des accumulateurs. Cette configuration permet d'éviter un entraînement de la machine électrique provoquant un prélèvement inutile de puissance.
Selon une seconde configuration, aucun dispositif d'accouplement n'est interposé entre la machine électrique et le boîtier 28. Dans ce cas, la machine électrique fonctionne en démarreur lors du démarrage du moteur, puis en générateur dès lors que le premier corps fournit une puissance motrice à ladite machine électrique par l'intermédiaire du boîtier 28. En ce cas, le moteur 10 tire pleinement parti de la réversibilité de la machine électrique. L'invention propose donc un moteur comportant un boîtier 28 en prise avec le premier corps 12 basse pression, compatible avec des besoins accrus en termes de consommation électrique.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Moteur (10) à turbine à gaz multi-corps (12, 14), notamment moteur d’aéronef, comportant au moins un corps tournant basse pression (12), un corps tournant haute pression (14), et un démarreur (30), le démarreur (30) étant accouplé au corps basse pression (12) le moteur (10) comportant un premier dispositif (42) d'accouplement débrayable, qui est interposé entre le corps basse pression (12) et le corps haute pression (14), pour lier en rotation le corps haute pression (14) au corps basse pression (12) afin de permettre le démarrage du moteur (10) par le démarreur (30), caractérisé en ce que le premier dispositif d'accouplement (42) est configuré pour être mobile entre : - une première position, selon laquelle le dispositif d'accouplement (42) est embrayé, pour que le corps basse pression (12) entraîne le corps haute pression (14), - une seconde position, selon laquelle le dispositif d'accouplement (42) est débrayé dès lors qu'une vitesse du corps basse pression (12) devient inférieure à celle du corps haute pression (14).
  2. 2. Moteur (10) à turbine selon l'une des revendications 1, caractérisé en ce que le premier dispositif d’accouplement (42) est du type à roue libre.
  3. 3. Moteur (10) à turbine selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le corps basse pression (12) comprend un arbre monté coaxialement dans ou sur un arbre du corps haute pression (14), le premier dispositif d’accouplement (42) à roue libre étant monté entre les arbres des corps basse et haute pression.
  4. 4. Moteur (10) à turbine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier dispositif d’accouplement (42) comprend une roue libre à éléments de coincement, notamment une roue libre à galets, billes, rouleaux ou osselets (44).
  5. 5. Moteur (10) à turbine selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (28) d’entraînement d’équipements accessoires du moteur (10).
  6. 6. Moteur (10) à turbine selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le boîtier (28) est accouplé au corps (12) basse pression par l'intermédiaire d'un arbre (32) disposé sensiblement radialement par rapport au corps basse pression (12).
  7. 7. Moteur (10) à turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le démarreur (30) est un démarreur pneumatique et en ce qu'un second dispositif d'accouplement débrayable (56) est interposé mécaniquement entre ledit démarreur pneumatique (30) et l'arbre (32) reliant radialement le boîtier (28) d’entraînement des équipements accessoires au corps basse pression (12).
  8. 8. Moteur (10) à turbine selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le second dispositif d'accouplement débrayable (56) est une seconde roue libre, qui est notamment interposée entre ledit démarreur pneumatique (30) et le boîtier (28) d’entraînement des équipements accessoires.
  9. 9. Moteur (10) à turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le démarreur est une machine électrique (30) réversible formant démarreur et générateur.
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