FR3132729A1 - Ensemble propulsif pour aéronef comprenant une turbomachine à gaz et une machine électrique avec un système de refroidissement comprenant un organe de couplage principal et procédé d’utilisation associé - Google Patents

Ensemble propulsif pour aéronef comprenant une turbomachine à gaz et une machine électrique avec un système de refroidissement comprenant un organe de couplage principal et procédé d’utilisation associé Download PDF

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Abstract

Un ensemble propulsif (1) pour aéronef comportant au moins un organe propulsif (10), une turbomachine à gaz (T) configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif (10), une machine électrique (M), montée, en aval de la turbomachine à gaz (T), comportant un arbre (M1) solidaire en rotation de la turbomachine à gaz (T), la machine électrique (M) étant montée dans une enceinte (2) alimentée par un flux d’air de refroidissement (FR) et au moins un système de refroidissement de la machine électrique (M), monté dans l’enceinte (2), comprenant au moins un organe de ventilation (3), au moins un organe de couplage principal (4) configuré, selon une position de couplage (P1), pour coupler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage (P2), pour découpler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de ne pas l’entrainer en rotation. Figure de l’abrégé : Figure 2

Description

Ensemble propulsif pour aéronef comprenant une turbomachine à gaz et une machine électrique avec un système de refroidissement comprenant un organe de couplage principal et procédé d’utilisation associé
La présente invention concerne le domaine des ensembles propulsifs pour aéronef, en particulier, un ensemble propulsif comprenant une turbomachine à gaz associée à une machine électrique pouvant fonctionner en moteur pour assurer la propulsion électrique ou en générateur pour alimenter par exemple une batterie électrique ou un réseau électrique de l’aéronef.
De manière connue, en référence à la , on connaît un ensemble propulsif 100 comprenant une turbomachine à gaz T entrainant un organe propulsif 10 pour assurer la propulsion d’un aéronef. La turbomachine à gaz T s’étend axialement selon un axe X et est à double flux. A cet effet, la turbomachine à gaz T comprend une veine primaire V1 dans laquelle circule un flux primaire F1 issu de la chambre de combustion (non représentée) et une veine secondaire V2 dans laquelle circule un flux secondaire F2 qui a été accéléré sans circuler par la chambre de combustion. La turbomachine à gaz T comprend un corps basse pression BP, comportant un compresseur basse pression 11 et une turbine basse pression 14, et un corps haute pression HP, comportant un compresseur haute pression 12 et une turbine haute pression 13.
L’ensemble propulsif 100 comprend également une machine électrique M, montée, en aval de la turbomachine à gaz T, comportant un arbre, relié au corps basse pression BP ou au corps haute pression HP de la turbomachine à gaz T. Une machine électrique M comporte des composants électriques qui doivent être refroidis au cours de son utilisation. Le refroidissement est particulièrement critique étant donné que la machine électrique M est positionnée à proximité de la veine primaire V1 dont le flux primaire F1, issu de la chambre de combustion, possède une température élevée.
A cet effet, il a été proposé de monter la machine électrique M dans une enceinte, 101 par exemple de forme conique appelée « plug », et de l’alimenter par un flux d’air de refroidissement FR issu de la veine secondaire V2, c’est-à-dire, issu du flux secondaire F2 dont la température est plus faible que celle du flux primaire F1.
En pratique, le débit du flux d’air de refroidissement FR dépend du débit du flux secondaire F2 qui dépend lui-même du régime de la turbomachine à gaz T. Dans les faits, cela présente un inconvénient étant donné que les besoins en refroidissement de la machine électrique M sont décorrélés du régime de la turbomachine à gaz T.
En outre, le refroidissement d’une machine électrique M doit être réalisé de manière homogène afin d’éviter l’apparition de points chauds. En pratique, les zones de la machine électrique M qui sont éloignées de l’entrée de flux d’air de refroidissement FR dans l’enceinte 101 sont insuffisamment refroidies, ce qui affecte le rendement global de la machine électrique M ou sa plage d’utilisation.
L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients en proposant un ensemble propulsif permettant un refroidissement optimal d’une machine électrique pour tout régime de fonctionnement de la turbomachine.
 PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un ensemble propulsif pour aéronef comportant :
  • Au moins un organe propulsif configuré pour participer à la propulsion de l’aéronef par accélération d’un flux d’air circulant selon un axe longitudinal d’amont vers l’aval,
  • Une turbomachine à gaz configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif, la turbomachine à gaz comprenant un corps basse pression, un corps haute pression et une chambre de combustion, la turbomachine à gaz étant à double flux et comprenant une veine primaire dans laquelle circule un flux primaire issu de la chambre de combustion, et une veine secondaire dans laquelle circule un flux secondaire contournant la chambre de combustion,
  • Une machine électrique, montée, en aval de la turbomachine à gaz, comportant un arbre solidaire en rotation de la turbomachine à gaz, la machine électrique étant montée dans une enceinte alimentée par un flux d’air de refroidissement issu de la veine secondaire, et
  • Au moins un système de refroidissement de la machine électrique, monté dans l’enceinte, comprenant :
    • au moins un organe de ventilation configuré pour être entrainé en rotation dans l’enceinte par l’arbre,
    • Au moins un organe de couplage principal configuré, selon une position de couplage, pour coupler l’arbre et l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler l’arbre et l’organe de ventilation afin de ne pas l’entrainer en rotation.
Cela permet de manière avantageuse de ventiler de manière forcée et avec un débit d’air suffisant la machine électrique et/ou son enceinte. De manière avantageuse, même lorsque la turbomachine à gaz est éteinte, la machine électrique peut être utilisée comme moteur pour mettre en rotation l’organe de ventilation et refroidir l’enceinte. En outre, grâce à l’organe de couplage principal, la ventilation peut être découplée lors de certaines phases de fonctionnement de la turbomachine à gaz, en particulier, à très haute vitesse et à basse vitesse.
Dans l’art antérieur, le flux d’air de refroidissement dépend directement du régime de la turbomachine à gaz. Il en résulte que le débit d’air de refroidissement n’est pas toujours en adéquation avec les besoins de refroidissement. Grâce à l’organe de couplage principal, il est possible de découpler l’organe de ventilation pour l’entrainer à une vitesse de rotation correspondant aux besoins de refroidissement.
De manière préférée, l’arbre ayant une vitesse de rotation, l’organe de couplage principal est configuré pour commuter en position de découplage lorsque la vitesse de rotation est supérieure à un seuil haut prédéterminé. Cela permet de protéger l’organe de ventilation qui est susceptible de s’endommager à très haute vitesse. Cela permet d’éviter de recourir à un organe de ventilation lourd et volumineux pouvant être entrainé à haute vitesse.
De préférence, l’arbre ayant une vitesse de rotation, l’organe de couplage principal est configuré pour commuter en position de découplage lorsque la vitesse de rotation est inférieure à un seuil bas prédéterminé. A une faible vitesse de l’arbre, la ventilation forcée est insuffisante. L’organe de couplage principal permet de réaliser un découplage afin de permettre un entrainement indépendant de celui de l’arbre de la machine électrique.
De manière préférée, l’organe de couplage principal est choisi parmi l’ensemble comprenant : un visco-coupleur à poudre, un embrayage mécanique à disque, un coupleur centrifuge, une roue libre, un coupleur magnétique, un arbre cannelé couplé à un actionneur longitudinal. Un tel organe de couplage principal permet de commuter de position de manière précise et automatique pour une plage de vitesse prédéterminée.
Selon un aspect préféré, le système de refroidissement comporte une source de puissance auxiliaire configurée pour entrainer en rotation l’organe de ventilation de manière indépendante de l’arbre. Ainsi, de manière avantageuse, l’organe de ventilation peut être entrainé en rotation à une vitesse prédéfinie et pilotée par la source auxiliaire lorsque l’arbre est entrainé en rotation à basse vitesse potentiellement insuffisante pour assurer les fonctions optimales de refroidissement.
De préférence, le système de refroidissement comporte un organe de couplage auxiliaire, monté entre la source de puissance auxiliaire et ledit organe de ventilation, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la source de puissance auxiliaire et ledit organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la source de puissance auxiliaire et ledit organe de ventilation afin de ne pas l’entrainer en rotation. Ainsi, l’organe de couplage principal et l’organe de couplage auxiliaire permettent de s’assurer que l’organe de ventilation n’est entrainé que par une source motrice à la fois, ce qui limite le risque d’endommagement.
De manière préférée, le système de refroidissement comprend au moins un organe de multiplication, monté entre l’arbre et l’organe de ventilation, configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre. De manière préférée, l’organe de multiplication possède un coefficient de multiplication supérieur à 1 de manière à accélérer l’organe de ventilation et obtenir des performances de ventilation améliorées. Cela est particulièrement pertinent lorsque l’arbre est entrainé à une vitesse qui est faible.
Selon un aspect, l’organe de multiplication est monté entre l’organe de couplage principal et l’organe de ventilation. Selon un autre aspect, l’organe de multiplication est monté entre l’arbre et l’organe de couplage principal.
De préférence, l’ensemble comprend au moins un organe de couplage global, monté entre l’arbre et la turbomachine à gaz, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la turbomachine à gaz à l’arbre pour les solidariser en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la turbomachine à gaz de l’arbre. Un tel organe de couplage global permet de coupler/découpler la machine électrique de la turbomachine à gaz en fonction des besoins. Cela est particulièrement avantageux pour éviter de prélever de la puissance mécanique sur la turbomachine à gaz dans certains modes de fonctionnement.
De préférence, le système de refroidissement comprend au moins un organe de ventilation monté en aval de la machine électrique. Cela permet avantageusement d’engendrer une aspiration du flux d’air de refroidissement tout en maximisant l’utilisation de l’espace disponible dans l’enceinte « plug ». La machine électrique peut ainsi être montée au plus près de la turbomachine à gaz, avec des lignes aérodynamiques plus avantageuses.
De préférence, le système de refroidissement comprend au moins un premier organe de ventilation monté en amont de la machine électrique et au moins un deuxième organe de ventilation monté en aval de la machine électrique. Un tel montage en « tandem » permet d’optimiser l’espace disponible dans l’enceinte tout en permettant une circulation optimale du flux d’air de refroidissement. Cela permet en outre de définir deux étages de compression afin de limiter le taux de compression par étage afin d’éviter de faire fonctionner les étages dans des conditions de fonctionnement dégradées pouvant entrainer un refroidissement suboptimal.
Selon un aspect de l’invention, l’enceinte comprend une paroi de séparation périphérique définissant au moins une sous-enceinte intérieure, dans laquelle est montée la machine électrique, et une sous-enceinte extérieure. Au moins un premier organe de ventilation est monté dans la sous-enceinte extérieure et au moins un deuxième organe de ventilation est monté dans la sous-enceinte intérieure de manière à refroidir de manière optimale chaque sous-enceinte. La sous-enceinte extérieure remplit avantageusement une fonction de barrière thermique en protégeant la sous-enceinte intérieure dans laquelle est montée la machine électrique contre la chaleur issue de la veine primaire.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, l’arbre étant couplé à l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation, le procédé comprenant une étape consistant à découpler l’organe de ventilation de l’arbre afin de ne pas l’entrainer en rotation. Ainsi, pour certains modes de fonctionnement de l’ensemble propulsif, l’organe de ventilation peut être découplé pour éviter tout risque d’endommagement ou améliorer la ventilation.
L’invention concerne en outre un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, l’arbre étant couplé à l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation, le procédé comprenant des étapes consistant à :
  • découpler l’organe de ventilation de l’arbre lorsque la vitesse de rotation de l’arbre est inférieure à un seuil bas prédéterminé
  • entrainer en rotation l’organe de ventilation par une source de puissance auxiliaire de manière indépendante de l’arbre.
Ainsi, à basse vitesse, la source de puissance auxiliaire prend le relais de l’arbre pour assurer une ventilation satisfaisante.
L’invention concerne aussi un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, le procédé comprenant des étapes, selon un mode moteur, consistant à :
  • découpler l’arbre de la turbomachine à gaz, et
  • l’organe de ventilation étant couplé à l’arbre, entrainer en rotation l’organe de ventilation par rotation de l’arbre de manière à refroidir la machine électrique.
Ainsi, lorsque la turbomachine à gaz est éteinte, la machine électrique peut être utilisée en mode moteur pour refroidir la machine électrique étant donné que le flux d’air de refroidissement, issu du flux secondaire, possède un débit faible.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, le procédé comprenant des étapes, selon un mode générateur, consistant à :
  • coupler l’arbre à la turbomachine à gaz de manière à ce que la machine électrique génère de l’énergie électrique, l’organe de ventilation étant découplé de l’arbre.
Ainsi, lorsque la turbomachine à gaz est en fonctionnement, la machine électrique peut être utilisée en mode générateur pour générer de l’énergie électrique. Aucune puissance mécanique n’est avantageusement prélevée sur l’arbre pour la ventilation afin de maximiser la génération. De manière avantageuse, lorsque la turbomachine à gaz est en fonctionnement le flux d’air de refroidissement, issu du flux secondaire, possède un débit élevé qui est suffisant pour assurer le refroidissement.
L’invention concerne un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, dans lequel l’arbre de la machine électrique tourne dans des sens opposés en mode générateur et en mode moteur.
 PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon l’art antérieur.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une première forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique rapprochée de la machine électrique de la .
La est une représentation schématique des positions de couplage/découplage en fonction de la vitesse de l’arbre de la machine électrique.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une deuxième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’une variante de la deuxième forme de réalisation de l’invention de la .
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une troisième forme de réalisation de l’invention selon une première variante.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon la troisième forme de réalisation de l’invention selon une deuxième variante.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une quatrième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une cinquième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une première variante de la cinquième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une deuxième variante de la cinquième forme de réalisation de l’invention.
La et la sont des représentations schématiques de l’ensemble propulsif selon la deuxième forme de réalisation de l’invention lors d’un couplage/découplage de l’organe de couplage principal.
La et la sont des représentations schématiques de l’ensemble propulsif selon la quatrième forme de réalisation de l’invention lors d’un couplage/découplage de l’organe de couplage global.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention concerne un ensemble propulsif pour un aéronef, l’aéronef pouvant comprendre un ou plusieurs ensembles propulsifs pour permettre sa propulsion.
En référence à la , il est représenté selon une vue en coupe longitudinale un ensemble propulsif 1 selon une première forme de réalisation de l’invention. L’ensemble propulsif 1 comprend un organe propulsif 10 configuré pour participer à la propulsion de l’aéronef par accélération d’un flux d’air F circulant selon un axe longitudinal X d’amont vers l’aval. Dans cet exemple, l’organe propulsif 10 se présente sous la forme d’une soufflante qui est carénée mais il va de soi que l’invention s’applique également à une hélice non carénée.
En référence à la , la turbomachine à gaz T est configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif 10. La turbomachine à gaz T comprend un corps basse pression BP, un corps haute pression HP et une chambre de combustion (non représentée). En particulier, le corps basse pression BP comporte un compresseur basse pression 11 et une turbine basse pression 13 tandis que le corps haute pression HP comporte un compresseur haute pression 12 et une turbine haute pression 14. La turbomachine à gaz T est à double flux et comprend une veine primaire V1, dans laquelle circule un flux primaire F1 issu de la chambre de combustion, et une veine secondaire V2 dans laquelle circule un flux secondaire F2 contournant la chambre de combustion, en particulier, accéléré par l’organe propulsif 10.
Une telle turbomachine à gaz T est connue de l’homme du métier et ne sera pas présentée plus en détails.
Selon l’invention, l’ensemble propulsif 1 comprend une machine électrique M, montée, en aval de la turbomachine à gaz T, comportant un arbre M1 solidaire en rotation de la turbomachine à gaz T, en particulier, du corps basse pression BP ou du corps haute pression HP. La machine électrique M est configurée pour fonctionner, d’une part, en mode générateur afin de générer de l’énergie électrique à partir d’un couple mécanique reçu sur son arbre M1 et, d’autre part, en mode moteur pour entrainer l’arbre M1 à partir d’une source électrique (batterie, réseau électrique, etc.). Il va néanmoins de soi que l’invention s’applique à une machine électrique M fonctionnant uniquement selon un mode générateur ou un mode moteur. La structure générale d’une machine électrique M est connue de l’homme du métier et ne sera pas présentée plus en détails. Dans cet exemple, la machine électrique M comporte une partie rotorique mobile, solidaire de l’arbre M1, et une partie statorique fixe (non représentées). Par la suite, l’arbre M1 de la machine électrique M possède une vitesse de rotation VM.
En référence à la , la machine électrique M est montée dans une enceinte 2 alimentée par un flux d’air de refroidissement FR issu de la veine secondaire V2, c’est-à-dire, issu du flux secondaire F2 qui est, par nature, plus froid que le flux primaire F1. L’enceinte 2 possède de préférence une forme conique mais il va de soi qu’elle pourrait être différente.
De même, il est représenté à la une enceinte 2 qui est ouverte à son extrémité aval pour l’évacuation du flux d’air de refroidissement FR mais il va de soi que l’évacuation pourrait être réalisé de manière différente.
Dans cet exemple, le flux d’air de refroidissement FR est injecté au niveau d’une partie amont de l’enceinte 2 via une conduite de refroidissement (non représentée) connectée à la veine secondaire V2. La conduite de refroidissement pourrait se présenter sous diverses formes.
Selon l’invention, en référence aux figures 2 et 3, l’ensemble propulsif 1 comprend un système de refroidissement de la machine électrique M, monté dans l’enceinte 2, qui comprend plusieurs organes de ventilation 3 configurés pour être entrainés en rotation dans l’enceinte 2 par l’arbre M1. Ainsi, le flux d’air de refroidissement FR est accéléré directement dans l’enceinte 2, ce qui permet, d’une part, de favoriser la captation de calories et, d’autre part, de permettre un refroidissement homogène de la machine électrique M indépendamment de la position d’injection du flux d’air de refroidissement FR dans l’enceinte 2.
De manière préférée, les organes de ventilation 3 sont configurés pour accélérer le flux d’air de refroidissement FR de manière périphérique afin de refroidir la surface extérieure de la machine électrique M de manière homogène. Les calories générées par la machine électrique M sont ainsi captées de manière pratique.
L’organe de ventilation 3 peut se présenter sous la forme d’un ventilateur, d’une roue aubagée ou d’une pompe.
Selon l’invention, en référence aux figures 2 et 3, le système de refroidissement comprend un organe de couplage principal 4 configuré :
  • selon une position de couplage P1, pour coupler l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3 afin de l’entrainer en rotation et,
  • selon une position de découplage P2, pour découpler l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3 afin de ne pas l’entrainer en rotation.
Un tel organe de couplage principal 4 est avantageux étant donné qu’il permet d’assurer un refroidissement en mode couplage lorsque la vitesse de rotation VM de la machine électrique M est adaptée. Dès que cette vitesse de rotation VM n’est plus adaptée, l’organe de couplage principal 4 permet de réaliser un découplage permettant soit de stopper complètement la rotation de l’organe de ventilation 3, soit d’entrainer l’organe de ventilation 3 à une vitesse de rotation différente de celle de l’arbre M1 et plus adaptée aux besoins de refroidissement de la machine électrique M comme cela sera présenté par la suite.
Grâce à l’organe de couplage principal, la ventilation peut être stoppée lors de certaines phases de fonctionnement de la turbomachine à gaz, en particulier, lors de phases où le régime de l’arbre M1 est trop important ou trop faible.
L’organe de couplage principal 4 est de préférence configuré pour se coupler/découpler automatiquement en fonction de la vitesse de l’organe qui l’entraine, en particulier, de l’arbre M1. Ainsi, les étapes de couplage/découplage peuvent être associées de manière pratique à des plages de vitesse pour lesquelles les besoins en flux d’air de refroidissement FR sont différents. De manière préférée, l’organe de couplage principal 4 est choisi parmi l’ensemble comprenant : un visco-coupleur à poudre, un embrayage mécanique à disque, un coupleur centrifuge, une roue libre, un coupleur magnétique.
Comme illustré à la , l’organe de couplage principal 4 est configuré pour commuter en position de découplage P2 lorsque la vitesse de rotation VM est supérieure à un seuil haut prédéterminé S2, de préférence, compris entre 500 tours/min et 30000 tours/min. De manière avantageuse, un découplage à haute vitesse permet d’éviter de faire tourner l’organe de ventilation 3 à des vitesses excessives susceptibles de l’endommager.
Toujours en référence à la , l’organe de couplage principal 4 est configuré pour commuter en position de découplage P2 lorsque la vitesse de rotation VM est inférieure à un seuil bas prédéterminé S1, de préférence, compris entre 0 tours/min et 20000 tours/min. De manière avantageuse, un découplage à basse vitesse permet d’entrainer l’organe de ventilation 3 par une autre source à une vitesse supérieure pour assurer un refroidissement optimal comme cela sera présenté par la suite.
Selon une deuxième forme de réalisation, en référence à la , le système de refroidissement comporte une source de puissance auxiliaire 5 configurée pour entrainer en rotation l’organe de ventilation 3 de manière indépendante de l’arbre M1. Une telle source de puissance auxiliaire 5 présente un grand intérêt lorsque l’organe de couplage principal 4 est en position de découplage P2, l’organe de ventilation 3 pouvant être entrainé à une vitesse différente de celle de l’arbre M1, en particulier, à une vitesse de rotation déterminée par la source de puissance auxiliaire 5. L’utilisation d’une source de puissance auxiliaire 5 permet d’entrainer l’organe de ventilation lorsque la puissance sur l’arbre M1 est inexistante ou insuffisante, comme par exemple à bas régime ou lorsque la turbomachine est éteinte. La source de puissance auxiliaire 5 peut se présenter sous diverses formes, en particulier, une machine électrique de faible puissance.
Selon une variante, en référence à la , le système de refroidissement comporte un organe de couplage auxiliaire 4’, monté entre la source de puissance auxiliaire 5 et ledit organe de ventilation 3, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la source de puissance auxiliaire 5 et ledit organe de ventilation 3 afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la source de puissance auxiliaire 5 et ledit organe de ventilation 3 afin de ne pas l’entrainer en rotation.
De manière avantageuse, l’organe de couplage principal 4 et l’organe de couplage auxiliaire 4’ permettent de manière synergique d’entrainer l’organe de ventilation 3 de manière entièrement indépendante. De préférence, lors d’un entrainement par l’arbre M1, l’organe de couplage principal 4 est en position de couplage tandis que l’organe de couplage auxiliaire 4’ est en position de découplage ( ). A l’inverse, lors d’un entrainement par la source auxiliaire 5, l’organe de couplage principal 4 est en position de découplage tandis que l’organe de couplage auxiliaire 4’ est en position de couplage ( ).
De manière préférée, l’organe de couplage auxiliaire 4’ est de même nature que l’organe de couplage principal 4 présenté précédemment. De manière préférée, l’organe de couplage auxiliaire 4’ et l’organe de couplage principal 4 sont configurés pour ne pas être en mode de couplage de manière simultanée. A cet effet, les plages de vitesses associées aux modes de couplage des organes de couplage 4, 4’ sont choisies de manière adaptée.
En référence aux figures 7 et 8, selon une troisième forme de réalisation, l’ensemble propulsif 1 comprend un organe de multiplication 6, monté entre l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3, configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation 3 à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre M1, de préférence, supérieure. Un tel organe de multiplication 6 permet de manière avantageuse d’augmenter le débit du flux d’air de refroidissement FR tout en utilisant la rotation de l’arbre M1 adaptée au mode de fonctionnement moteur/générateur de la machine électrique M. Cela est particulièrement avantageux lorsque la vitesse de l’arbre M1 est trop faible par rapport aux besoins de refroidissement.
Un tel organe de multiplication 6 permet d’obtenir un débit plus important sans recourir à une source de puissance auxiliaire 5. Il va néanmoins de soi qu’une source de puissance auxiliaire 5 pourrait être utilisée avec un organe de multiplication 6, les formes de réalisation étant compatibles ensemble. Dans cette dernière configuration, un montage dit différentiel permet d’entrainer l’organe de ventilation à des régimes indépendants des régimes de l’arbre principal (taux de multiplication variable) et d’assurer une ventilation optimale en tous points du domaine de fonctionnement.
L’organe de multiplication 6 peut se présenter sous diverses formes, en particulier, un train épicycloïdal. Un organe de multiplication 6 est associé à un coefficient de multiplication qui est de préférence supérieur à 1. Ce coefficient de multiplication peut être fixe ou variable.
Selon un premier aspect, en référence à la , l’organe de multiplication 6 est monté entre l’organe de couplage principal 4 et l’organe de ventilation 3. Cette configuration permet de faire appel à des organes de couplage fonctionnant à basse vitesse. Elle permet aussi d’isoler le multiplicateur si la fiabilité de celui-ci peut impacter la fiabilité globale du système.
Selon un deuxième aspect, en référence à la , l’organe de multiplication 6 est monté entre l’arbre M1 et l’organe de couplage principal 4. Cette configuration permet de mettre en œuvre des organes de couplage fonctionnant de préférence à haute vitesse.
En référence à la , selon une quatrième forme de réalisation, l’ensemble propulsif 1 comprend un organe de couplage global 7, monté entre l’arbre M1 et la turbomachine à gaz T, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la turbomachine à gaz T à l’arbre M1 pour les solidariser en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la turbomachine à gaz T de l’arbre M1. Ainsi, l’organe de couplage global 7 permet de transmettre de la puissance mécanique entre l’arbre M1 et la turbomachine à gaz T, en particulier, avec le corps basse pression BP ou le corps haute pression HP. De manière préférée, l’organe de couplage global 7 est de même nature que l’organe de couplage principal 4 présenté précédemment.
De manière préférée, lorsque la machine électrique M est en mode générateur, l’organe de couplage global 7 est en position de couplage. Lorsque la machine électrique M est en mode moteur, l’organe de couplage global 7 peut être en position de couplage si la machine électrique M souhaite contribuer à la propulsion ou être en position de découplage si la machine électrique M souhaite fournir un couple non propulsif, en particulier, pour la ventilation comme cela sera présenté par la suite.
Dans les formes de réalisation précédente, l’arbre M1 s’étend uniquement vers l’amont de manière à permettre aux organes de ventilation 3 de s’étendre en amont de la machine électrique M pour la refroidir de manière optimale.
De manière alternative, en référence à la , selon une cinquième forme de réalisation, l’arbre M1 s’étend également vers l’aval et les organes de ventilation 3 s’étendent en aval de la machine électrique M pour permettre d’aspirer l’air et rapprocher la machine électrique M au plus près de la turbomachine à gaz T pour gagner en compacité. En outre, on dispose de contraintes d’encombrement qui sont moindres en aval pour permettre la mise en place d’un organe de ventilation 3 plus volumineux et plus performant. Cela permet enfin d’optimiser l’utilisation de l’espace « plug » de la turbomachine afin de conserver des lignes aérodynamiques avantageuses pour la turbomachine
Selon une première variante, en référence à la , des organes de ventilation 3 sont positionnés en amont et en aval (position en tandem) de la machine électrique M pour améliorer le refroidissement et optimiser l’espace disponible tout en rapprochant la machine électrique M au plus près de la turbomachine à gaz T. Cela permet en outre de former deux étages de compression et optimiser la circulation du flux d’air de refroidissement FR. Une telle configuration permet de réduire le taux de compression par étage de ventilation et d’éviter d’entrer dans des modes dégradés de ventilation pouvant engendrer un refroidissement suboptimal. Sur la , il est représenté un organe de couplage principal 4 associé à chaque organe de ventilation 3 mais il va de soi qu’un seul organe de ventilation 3 pourrait être associé à un organe de couplage principal 4.
Selon une deuxième variante, en référence à la , l’enceinte 2 comporte une paroi de séparation périphérique 8 définissant au moins une sous-enceinte intérieure 21, dans laquelle est montée la machine électrique M, et une sous-enceinte extérieure 22. Au moins un organe de ventilation 3 est monté en rotation dans chaque sous-enceinte 21, 22 de manière à assurer un refroidissement distinct. La sous-enceinte extérieure 22 permet avantageusement de former une barrière thermique, entre la veine primaire V1 et la machine électrique M, qui peut être refroidie de manière indépendante.
Dans cet exemple, la paroi de séparation périphérique 8 comporte une partie amont 8a et une partie aval 8b qui sont séparées par une fente 80 dans laquelle s’étend l’organe de ventilation 3 qui est monté dans la sous-enceinte extérieure 22 afin de la ventiler.
Sur la , par souci de clarté, il n’est pas représenté d’organe de couplage principal 4 associé à chaque organe de ventilation 3 mais il va de soi qu’un tel organe de couplage principal 4 pourrait être associé à un, plusieurs ou chaque organe de ventilation 3.
De manière préférée, l’organe de ventilation 3 associé à la sous-enceinte extérieure 22 est monté sur une portion amont de l’arbre M1 de la machine électrique M et l’organe de ventilation 3 associé à la sous-enceinte intérieure 21 est monté sur une portion aval de l’arbre M1 de la machine électrique M afin d’optimiser l’encombrement et la compacité. Néanmoins, il va de soi que les organes de ventilation 3 pourraient être positionnés tous en amont ou tous en aval.
Un exemple de mise en œuvre d’un procédé d’utilisation selon l’invention va être dorénavant présenté en référence aux figures 13 et 14. En référence à la , l’arbre M1 est couplé à l’organe de ventilation 3 afin de l’entrainer en rotation. Le procédé comprend une étape consistant à :
  • découpler l’organe de ventilation 3 de l’arbre M1 afin de ne pas l’entrainer en rotation, en particulier, en commutant l’organe de couplage principal 4 en mode de découplage, lorsque la vitesse de rotation VM de l’arbre M1 est inférieure au seuil bas prédéterminé S1,
  • entrainer en rotation l’organe de ventilation 3 par une source de puissance auxiliaire 5 de manière indépendante de l’arbre M1 comme illustré à la .
Cela permet avantageusement d’apporter un flux d’air de refroidissement FR plus important avec la source de puissance auxiliaire 5 lorsque la vitesse de rotation VM de l’arbre M1 est faible. De manière préférée, l’organe de couplage principal 4 est en position de couplage puis commuté en position de découplage. A l’inverse, l’organe de couplage auxiliaire 4’ est en position de découplage puis commuté en position de couplage. Grâce à cet exemple de mise en œuvre, on améliore le refroidissement même lorsque la vitesse de rotation VM est faible, par exemple, lorsque l’aéronef est en phase de taxi ou se déplace à faible vitesse.
Selon un autre aspect de l’invention, la machine électrique M est utilisée en mode générateur et reçoit de l’énergie mécanique via la turbomachine à gaz T grâce à l’organe de couplage global 7 qui est en position de couplage. Selon un exemple de mise en œuvre en référence aux figures 15 et 16, le procédé comprend des étapes, selon un mode moteur de la machine électrique M, consistant à :
  • découpler l’arbre M1 de la turbomachine à gaz T par commutation de l’organe de couplage global 7 en position de découplage, et
  • l’organe de ventilation 3 étant couplé à l’arbre M1 par l’organe de couplage principal 4 en mode de couplage, entrainer en rotation l’organe de ventilation 3 par rotation de l’arbre M1 de manière à refroidir la machine électrique M.
Dans cet exemple de mise en œuvre, la machine électrique M peut être dédiée au refroidissement, ce qui est avantageux pour ventiler de manière efficace l’enceinte 2, en particulier, lorsque la turbomachine à gaz T est éteinte.
Selon un autre exemple de mise en œuvre, le procédé comprend des étapes, selon un mode générateur de la machine électrique M, consistant à :
  • coupler l’arbre M1 à la turbomachine à gaz T, par commutation de l’organe de couplage global 7 en position de couplage, de manière à ce que la machine électrique M génère de l’énergie électrique, l’organe de ventilation 3 étant découplé à l’arbre M1.
Un tel exemple de mise en œuvre permet d’utiliser l’énergie mécanique fournie par la turbomachine à gaz T essentiellement pour la génération d’énergie électrique, aucune puissance n’étant prélevée pour le refroidissement. Cette configuration est avantageuse dans les cas où le système de ventilation pourrait être défaillant, ou dans les cas où les conditions d’alimentation dans le flux secondaire sont suffisantes pour ventiler la machine électrique sans besoin de comprimer l’air davantage grâce au système de ventilation.
De manière préférée, l’arbre M1 de la machine électrique M tourne dans des sens opposés en mode générateur et en mode moteur permettant d’utiliser des systèmes de couplage de type « roue-libre » pour une ventilation entrainée uniquement par la machine électrique.
Il va de soi que l’organe de multiplication 6 pourrait également être utilisé dans chacune des configurations, en particulier, lorsque la vitesse VM n’est pas suffisante pour assurer un refroidissement optimal.

Claims (18)

  1. Ensemble propulsif (1) pour aéronef comportant :
    • Au moins un organe propulsif (10) configuré pour participer à la propulsion de l’aéronef par accélération d’un flux d’air (F) circulant selon un axe longitudinal (X) d’amont vers l’aval,
    • Une turbomachine à gaz (T) configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif (10), la turbomachine à gaz (T) comprenant un corps basse pression (BP), un corps haute pression (HP) et une chambre de combustion, la turbomachine à gaz (T) étant à double flux et comprenant une veine primaire (V1) dans laquelle circule un flux primaire (F1) issu de la chambre de combustion, et une veine secondaire (V2) dans laquelle circule un flux secondaire (F2) contournant la chambre de combustion,
    • Une machine électrique (M), montée, en aval de la turbomachine à gaz (T), comportant un arbre (M1) solidaire en rotation de la turbomachine à gaz (T), la machine électrique (M) étant montée dans une enceinte (2) alimentée par un flux d’air de refroidissement (FR) issu de la veine secondaire (V2), et
    • Au moins un système de refroidissement de la machine électrique (M), monté dans l’enceinte (2), comprenant :
      • au moins un organe de ventilation (3) configuré pour être entrainé en rotation dans l’enceinte (2) par l’arbre (M1),
      • Au moins un organe de couplage principal (4) configuré, selon une position de couplage (P1), pour coupler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage (P2), pour découpler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de ne pas l’entrainer en rotation.
  2. Ensemble propulsif (1) selon la revendication 1, dans lequel, l’arbre (M1) ayant une vitesse de rotation (VM), l’organe de couplage principal (4) est configuré pour commuter en position de découplage (P2) lorsque la vitesse de rotation (VM) est supérieure à un seuil haut prédéterminé (S2).
  3. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel, l’arbre (M1) ayant une vitesse de rotation (VM), l’organe de couplage principal (4) est configuré pour commuter en position de découplage (P2) lorsque la vitesse de rotation (VM) est inférieure à un seuil bas prédéterminé (S1).
  4. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, l’organe de couplage principal (4) est choisi parmi l’ensemble comprenant : un visco-coupleur à poudre, un embrayage mécanique à disque, un coupleur centrifuge, une roue libre, un coupleur magnétique.
  5. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel, le système de refroidissement comprend une source de puissance auxiliaire (5) configurée pour entrainer en rotation l’organe de ventilation (3) de manière indépendante de l’arbre (M1).
  6. Ensemble propulsif (1) selon la revendication 5, dans lequel, le système de refroidissement comprend un organe de couplage auxiliaire (4’), monté entre la source de puissance auxiliaire (5) et ledit organe de ventilation (3), configuré, selon une position de couplage, pour coupler la source de puissance auxiliaire (5) et ledit organe de ventilation (3) afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la source de puissance auxiliaire (5) et ledit organe de ventilation (3) afin de ne pas l’entrainer en rotation.
  7. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel, le système de refroidissement comprend au moins un organe de multiplication (6), monté entre l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3), configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation (3) à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre (M1).
  8. Ensemble propulsif (1) selon la revendication 7, dans lequel l’organe de multiplication (6) est monté entre l’organe de couplage principal (4) et l’organe de ventilation (3).
  9. Ensemble propulsif (1) selon la revendication 7, dans lequel l’organe de multiplication (6) est monté entre l’arbre (M1) et l’organe de couplage principal (4).
  10. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant au moins un organe de couplage global (7), monté entre l’arbre (M1) et la turbomachine à gaz (T), configuré, selon une position de couplage, pour coupler la turbomachine à gaz (T) à l’arbre (M1) pour les solidariser en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la turbomachine à gaz (T) de l’arbre (M1).
  11. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel, le système de refroidissement comprend au moins un organe de ventilation (3) monté en aval de la machine électrique (M).
  12. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel, le système de refroidissement comprend au moins un premier organe de ventilation (3) monté en amont de la machine électrique (M) et au moins un deuxième organe de ventilation (3) monté en aval de la machine électrique (M).
  13. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel, l’enceinte (2) comprenant une paroi de séparation périphérique (8) définissant au moins une sous-enceinte intérieure (21), dans laquelle est montée la machine électrique (M), et une sous-enceinte extérieure (22), au moins un premier organe de ventilation (3) est monté dans la sous-enceinte extérieure (22) et au moins un deuxième organe de ventilation (3) est monté dans la sous-enceinte intérieure (21).
  14. Procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif (1) pour aéronef selon l’une des revendications 1 à 13, l’arbre (M1) étant couplé à l’organe de ventilation (3) afin de l’entrainer en rotation, le procédé comprenant une étape consistant à :
    • découpler l’organe de ventilation (3) de l’arbre (M1) afin de ne pas l’entrainer en rotation.
  15. Procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif (1) pour aéronef selon les revendications 3 et 5, l’arbre (M1) étant couplé à l’organe de ventilation (3) afin de l’entrainer en rotation, le procédé comprenant des étapes consistant à :
    • découpler l’organe de ventilation (3) de l’arbre (M1) lorsque la vitesse de rotation (VM) de l’arbre (M1) est inférieure à un seuil bas prédéterminé (S1)
    • entrainer en rotation l’organe de ventilation (3) par une source de puissance auxiliaire (5) de manière indépendante de l’arbre (M1).
  16. Procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif (1) pour aéronef selon la revendication 10, le procédé comprenant des étapes, selon un mode moteur, consistant à :
    • découpler l’arbre (M1) de la turbomachine à gaz (T), et
    • l’organe de ventilation (3) étant couplé à l’arbre (M1), entrainer en rotation l’organe de ventilation (3) par rotation de l’arbre (M1) de manière à refroidir la machine électrique (M).
  17. Procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif (1) pour aéronef selon la revendication 10, le procédé comprenant des étapes, selon un mode générateur, consistant à :
    • coupler l’arbre (M1) à la turbomachine à gaz (T) de manière à ce que la machine électrique génère de l’énergie électrique, l’organe de ventilation (3) étant découplé de l’arbre (M1).
  18. Procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif (1) pour aéronef selon les revendications 16 et 17, dans lequel :
    • l’arbre (M1) de la machine électrique (M) tourne dans des sens opposés en mode générateur et en mode moteur.
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