FR3133592A1

FR3133592A1 - Turbomachine améliorée pour aéronef hybridé

Info

Publication number: FR3133592A1
Application number: FR2202290A
Authority: FR
Inventors: Benjamin Nicolas FULLERINGER
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2023-09-22
Also published as: US20250188865A1; EP4493807A1; CN119173685A; WO2023175254A1

Abstract

Turbomachine a mélioré e pour aéronef hybridé Turbomachine (100) pour aéronef hybridé, comprenant un générateur de gaz (12) porté par un arbre de générateur (14), au moins une turbine libre (11) portée par un arbre de turbine (13) et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz (12), un rotor principal (60), et au moins une machine électrique réversible (30), l’arbre de turbine (13) étant traversant et s’étendant axialement entre une première extrémité en prise avec la machine électrique (30), et une deuxième extrémité en prise avec le rotor principal (60). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Turbomachine améliorée pour aéronef hybridé

La présente invention concerne le domaine des aéronefs hybridés, comprenant au moins une turbomachine pour des engins volants, telle qu’un turbopropulseur pour un avion ou un turbomoteur pour un hélicoptère. En particulier, l’invention concerne une turbomachine pour aéronef hybridé, et un aéronef hybridé comprenant une telle turbomachine.

De manière connue, une turbomachine, par exemple un turbomoteur ou un turbopropulseur, pour un hélicoptère ou pour un avion, comporte une turbine à gaz ayant un générateur de gaz et une turbine libre entraînée en rotation par le flux de gaz généré par le générateur de gaz. En outre, un aéronef comprend généralement, en plus de cette turbomachine, une machine électrique réversible couplée au générateur de gaz, de manière à mettre en rotation le générateur de gaz lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, ou en vol de manière à assurer les besoins électriques non propulsifs de l’aéronef.

Traditionnellement, le générateur de gaz comporte au moins un compresseur et une turbine couplés en rotation. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'air frais entrant dans la turbine à gaz est comprimé du fait de la rotation du compresseur avant d'être envoyé vers une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant. Les gaz brûlés du fait de la combustion sont ensuite évacués à grande vitesse. Il se produit alors une première détente dans la turbine du générateur de gaz, durant laquelle cette dernière extrait l'énergie nécessaire à l'entraînement du compresseur. La turbine du générateur de gaz n'absorbe pas toute l'énergie cinétique des gaz brûlés et l'excédent d'énergie cinétique correspond au flux de gaz généré par le générateur de gaz. Ce dernier fournit donc de l'énergie cinétique à la turbine libre de sorte qu'il se produit une seconde détente dans la turbine libre qui transforme cette énergie cinétique en énergie mécanique afin d'entraîner un organe récepteur, tel qu’une hélice de turbopropulseur.

Lors de la phase de démarrage de la turbomachine, il est nécessaire d'entraîner en rotation le générateur de gaz, c'est-à-dire entraîner en rotation le compresseur couplé à la turbine. Comme mentionné ci-dessus, c'est précisément l'un des rôles de la machine électrique réversible, connue par ailleurs, qui est le plus souvent un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en génératrice électrique.

En effet, les aéronefs, dans lesquels de telles turbomachines sont notamment destinées à être intégrées, comportent des appareillages électriques qu'il est nécessaire d'alimenter par de l'énergie électrique. La machine électrique réversible est utilisée pour fournir de l'électricité à ces appareillages électriques. Pour ce faire, la machine électrique fonctionnant cette fois-ci en génératrice électrique est entraînée en rotation par le générateur de gaz, l'énergie mécanique sur le générateur de gaz étant transformée en énergie électrique par ladite machine. Par ailleurs, la machine électrique peut être utilisée pour réaliser de l’hybridation interne, en apportant par exemple une puissance supplémentaire sur l'arbre hélice ou l'arbre moteur, ou en générant de la puissance en prélevant sur l'arbre de turbine libre sans affecter la performance du générateur de gaz.

Pour assurer ces fonctions, la ou les machines électriques doivent être dimensionnées à une puissance très supérieure à celle des génératrices/démarreurs habituellement utilisés, typiquement une ou plusieurs centaines de kilowatts, au lieu d’une dizaine de kilowatts. Il est donc souhaitable de mutualiser les deux types de machines électriques (la génératrice/démarreur de la turbine et la machine électrique connectée au rotor).

Toutefois, les architectures existantes ne permettent pas la réalisation de certaines fonctions par les machines électriques. Par ailleurs, ces machines électriques de forte puissance impliquent des difficultés en termes d’encombrement. Par exemple, certaines architectures de turbopropulseur sont caractérisées par une prise arrière au niveau des turbines libres et des tuyères d’éjection des gaz chauds, pour entrainer le réducteur et l'hélice du turbopropulseur, et par une boite d’accessoires en partie froide à l'opposé du moteur pour entrainer les équipements.

Il est néanmoins difficile d'intégrer une machine électrique de forte puissance nécessairement encombrante sur une telle architecture. En effet, l'installation en partie chaude, sous la tuyère, d'une machine électrique entrainée à grande vitesse par les turbines présenterait des difficultés en terme d'intégration, de maintenabilité et d'environnement thermique. L'unique solution envisageable est donc d'entrainer la machine électrique en partie froide, notamment au niveau de la boite d’accessoires, et donc d'impacter les performances de la turbine à gaz lors du prélèvement sur le générateur de gaz. Ceci contribue à augmenter de manière importante la consommation du moteur. Par ailleurs, cette consommation accrue impacte l'endurance de l'appareil, pourtant importante dans une application de type drone par exemple.

D’autres types d’architectures existent, notamment lorsque la boite d’accessoires et le réducteur mécanique de l'hélice sont tous deux du même côté du moteur, en plaçant la machine électrique en zone froide à proximité du cône d’hélice. Ces architectures impliquent toutefois d’augmenter la section frontale de la turbomachine, en décalant (en d’autres termes en créant un « offset ») l’axe de l’hélice par rapport à l’axe principal du moteur via un réducteur mécanique, et/ou d’impacter son centrage, et limitent les possibilités de mutualisation des fonctions entre la génératrice/démarreur de la turbine et la machine électrique de forte puissance.

Il existe donc un besoin pour une architecture répondant au moins en partie aux inconvénients précités.

Le présent exposé concerne une turbomachine pour aéronef hybridé, comprenant un générateur de gaz porté par un arbre de générateur, au moins une turbine libre portée par un arbre de turbine et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz, un rotor principal, et au moins une machine électrique réversible, l’arbre de turbine étant traversant et s’étendant axialement entre une première extrémité en prise avec la machine électrique, et une deuxième extrémité en prise avec le rotor principal.

La turbomachine peut être un turbomoteur ou un turbopropulseur. Dans la suite de la description, on se réfèrera préférentiellement à un turbopropulseur. Le rotor principal peut être une hélice l’aéronef, notamment d’avion, permettant sa propulsion, l’hélice étant alors disposée à une extrémité du turbopropulseur, préférentiellement à l’extrémité avant du turbopropulseur lorsque l’on considère un sens de déplacement normal de l’aéronef. Le rotor principal est ainsi mobile autour d’un axe de rotation, correspondant préférentiellement à l’axe principal du turbopropulseur.

Par « traversant », on comprend que l’arbre de turbine s’étend axialement le long de l’axe principal du turbopropulseur, de part et d’autre de ce dernier. L’arbre de turbine traverse ainsi la turbine haute pression, la chambre de combustion et le compresseur d'un côté, et de l'autre côté la tuyère de sortie. L’arbre de turbine traverse ainsi la partie thermiquement froide comprenant l’entrée d’air et le compresseur, et la partie thermiquement chaude, autrement dit où les températures sont plus élevées que dans la partie froide, et comprenant la chambre de combustion et la tuyère. Les rotors de ce turbopropulseur sont notamment configurés pour être traversés par l’arbre de turbine. En outre, de préférence, l’arbre de générateur et l’arbre de turbine sont concentriques, l’arbre de turbine traversant le générateur de gaz en passant à l’intérieur de l’arbre de générateur.

Par ailleurs, par « en prise avec », on comprend que la première extrémité de l’arbre de turbine est liée mécaniquement à la machine électrique, directement ou indirectement. Ainsi, la machine électrique réversible peut entrainer en rotation l’arbre de turbine, et peut inversement être entrainée par l’arbre de turbine pour générer de l’électricité. De même, on comprend que la deuxième extrémité de l’arbre de turbine est liée mécaniquement au rotor principal, par exemple à l’hélice, directement ou par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique.

Contrairement aux configurations dans lesquelles la machine électrique est disposée au niveau de la boite d’accessoires dans la partie froide, en prélevant de l’énergie sur l’arbre de générateur, cette architecture comprenant un arbre de turbine traversant permet à la machine électrique, en prise avec l’arbre de turbine, de prélever de l’énergie sur ce dernier, et ainsi de limiter l’impact sur les performances de la turbine à gaz et sur la consommation du moteur.

Par ailleurs, selon cette architecture dans laquelle l’arbre de turbine traversant est en prise à ses deux extrémités, notamment à sa première extrémité avec la machine électrique et à sa deuxième extrémité avec le rotor principal, il est possible de réaliser un nombre élevé de fonctions, tout en conservant de manière préférentielle une disposition alignée selon un même axe des différents composants du turbopropulseur, et en limitant ainsi la section frontale du turbopropulseur. Cette configuration permet notamment de réduire la trainée du turbopropulseur.

Dans certains modes de réalisation, le générateur de gaz comprend un compresseur et une entrée d’air configurée pour alimenter le compresseur en air frais, la première extrémité de l’arbre de turbine en prise avec la machine électrique étant disposée de manière adjacente à l’entrée d’air.

En d’autres termes, la machine électrique est disposée dans la partie thermiquement froide du turbopropulseur. Il est ainsi possible de faciliter l’intégration de la machine électrique dans le turbopropulseur et d’améliorer sa maintenabilité, contrairement à des environnements thermiques plus chauds tels que sous la tuyère d’éjection des gaz chauds, du côté de la turbine.

Dans certains modes de réalisation, la deuxième extrémité de l’arbre de turbine est en prise avec le rotor principal par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique disposé entre la turbine libre et le rotor principal.

Contrairement à une application sur turbomoteur d’hélicoptère, dans laquelle le réducteur mécanique et la machine électrique sont chacun disposés du même côté du générateur de gaz, le réducteur mécanique et la machine électrique sont ici disposés à des extrémités opposées de l’arbre de turbine. Ainsi, la machine électrique est disposée au niveau de la première extrémité de l’arbre de turbine, de préférence en partie froide, alors que le réducteur mécanique peut être disposé au niveau de la deuxième extrémité de l’arbre de turbine, en partie chaude. Cela permet de maintenir la machine électrique dans un environnement thermique froid afin d'en améliorer la fiabilité, d'améliorer la modularité pour la maintenance, de limiter la section frontale de la turbomachine hybridée pour améliorer l'aérodynamisme de l'appareil, et de limiter l'impact du centrage de la machine électrique.

Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend une chambre de combustion, la deuxième extrémité de l’arbre de turbine étant en prise avec le rotor principal en aval de la chambre de combustion.

On comprend que les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens normal d’écoulement des gaz dans la turbomachine. En d’autres termes, la prise entre la deuxième extrémité de l’arbre de turbine et le rotor principal est située dans la partie thermiquement chaude de la turbomachine, après le passage des gaz dans la chambre de combustion.

Dans certains modes de réalisation, la deuxième extrémité de l’arbre de turbine est en prise avec le rotor principal au voisinage de la chambre de combustion et d’une tuyère d’éjection des gaz chauds. De préférence, la prise entre la deuxième extrémité de l’arbre de turbine et le rotor principal est située en regard de la tuyère d’éjection.

Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est en prise directe avec la première extrémité de l’arbre de turbine, de manière à tourner à la même vitesse que l’arbre de turbine.

La machine électrique, par exemple à haute densité de puissance, tend à tourner à des vitesses comparables aux turbines libres, et peut par exemple être fixée directement à la première extrémité de l’arbre de turbine. Cela permet de limiter le nombre de pièces d’assemblage nécessaires, et ainsi de simplifier l’architecture du turbopropulseur.

Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est en prise avec la première extrémité de l’arbre de turbine par l’intermédiaire d’un réducteur d’adaptation de vitesse.

Lorsque la turbine libre ne permet pas un entrainement en prise directe de la machine électrique, en fonction du dimensionnement de cette dernière, le réducteur d’adaptation de vitesse permet d’adapter la vitesse de rotation de la machine électrique à celle de la turbine libre. Cela permet de dissocier l'optimum de dimensionnement de la turbine libre et celui de la machine électrique.

Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est apte à être couplée à l’arbre de générateur de manière à mettre en rotation le générateur de gaz lors d’une phase de démarrage de la turbomachine, et est apte à être couplée à l’arbre de turbine après la phase de démarrage afin de générer de la puissance électrique.

Cette configuration permet de démarrer la turbine à gaz en injectant de la puissance sur le générateur de gaz grâce à la machine électrique, puis, lorsque la vitesse du générateur de gaz dépasse un seuil prédéterminé, l’arbre de turbine entraine alors la machine électrique pour que cette dernière génère de la puissance électrique. Il est ainsi possible de réaliser une forte génération de puissance en prélevant sur l’arbre de turbine sans pénaliser la performance de la turbine à gaz. Cette configuration est particulièrement avantageuse pour les applications non hybridées demandant une forte génération éléctrique, comme sur les applications utilisant des drones par exemple.

Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est couplée à l’arbre de générateur par l’intermédiaire d’une première roue libre configurée pour transmettre un couple de rotation provenant de la machine électrique, et est couplée à l’arbre de turbine par l’intermédiaire d’une deuxième roue libre configurée pour transmettre un couple de rotation à la machine électrique.

On comprend que la première roue libre et la deuxième roue libre sont montées en opposition. Par « montées en opposition », on comprend que la première roue libre peut transmettre un couple de rotation provenant de la machine électrique, mais pas l’inverse, alors que la deuxième roue libre peut transmettre un couple de rotation vers la machine électrique, mais pas l’inverse. De préférence, la machine électrique est couplée à l’arbre de générateur par l’intermédiaire de la première roue libre et d’un premier réducteur d’adaptation de vitesse, et est couplée à l’arbre de turbine par l’intermédiaire de la deuxième roue libre et d’un deuxième réducteur d’adaptation de vitesse, les rapports de réduction du premier et du deuxième réducteur d’adaptation de vitesse étant déterminés de telle sorte qu'après le démarrage du générateur de gaz, la première roue libre soit desynchronisée et la deuxième roue libre soit synchronisée.

Les roues libres présentent l’avantage de ne pas nécessiter d'être commandées électroniquement ou mécaniquement par un opérateur extérieur. La roue libre présente en outre une fiabilité importante. Une telle roue libre est généralement constituée d'un moyeu et d'une couronne périphérique montée rotative sur le moyeu. Le moyeu pouvant généralement entraîner en rotation la couronne périphérique mais pas l'inverse. Il est à noter que dans certains cas, la roue libre est disposée de telle sorte que la couronne périphérique peut entrainer en rotation le moyeu, mais pas l'inverse, sans remettre en cause le principe de la présente invention. Aussi, le moyeu ne peut entraîner la couronne que lorsque le moyeu tourne dans un sens prédéterminé par rapport à la couronne, que l'on appellera « sens d'engagement ». Dans le cas contraire, le moyeu et la couronne périphérique tournent librement l'un par rapport à l'autre.

Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est une première machine électrique réversible, la turbomachine comprenant en outre une deuxième machine électrique réversible en prise avec l’arbre de générateur, et apte à échanger de la puissance électrique avec la première machine électrique réversible.

La première machine électrique en prise avec la première extrémité de l’arbre de turbine est alors de préférence une machine électrique de forte puissance, de l’ordre d’une ou plusieurs centaines de kilowatts, alors que la deuxième machine électrique est de préférence de faible puissance, de l’ordre de 10kW, telle qu’une génératrice/démarreur habituellement utilisée.

Selon cette configuration, alors que la deuxième machine électrique est utilisée pour le démarrage de la turbine à gaz, la première machine électrique peut être utilisée avec la génératrice/démarreur pour réaliser de l’hybridation interne, c’est-à-dire un échange de puissance entre les machines électriques pour limiter le vieillissement de la turbine à gaz, en échangeant de la puissance entre le corps du générateur de gaz et la turbine libre. Cette configuration permet en outre de réaliser l’ensemble des fonctions souhaitées, notamment de l’assistance par transfert de puissance à l’arbre de turbine ou à l’arbre de générateur dans certaines phases transitoires, de l’assistance à la turbine à gaz au décollage, ou de la génération d’électricité en vol pour recharger les batteries.

Dans certains modes de réalisation, la première machine électrique est configurée pour fonctionner en mode génératrice, dans lequel elle est apte à être entraînée en rotation par l’arbre de turbine de manière à générer de la puissance électrique, ou en mode moteur dans lequel elle est apte à apporter de la puissance à l’arbre de turbine.

En d’autres termes, en mode moteur la première machine électrique est apte à apporter de la puissance à l'hélice dans le cas d’un turbopropulseur, ou à la prise de mouvement dans le cas d’un turbomoteur. La première machine électrique peut ainsi générer de la puissance électrique sans prélever de la puissance sur le générateur de gaz, ce qui permet d’améliorer la consommation spécifique de la turbine à gaz. De plus, le mode moteur permet un apport de puissance à l’arbre de turbine, dans certaines phases de vol le nécessitant, comme le décollage, les phases transitoires ou les manoeuvres.

Dans certains modes de réalisation, la deuxième machine électrique est apte à être couplée à l’arbre de générateur par l’intermédiaire d’un premier moyen de couplage désactivable, et à être couplée à l’arbre de turbine par l’intermédiaire d’un deuxième moyen de couplage désactivable.

Dans certains modes de réalisation, au moins l’un du premier et du deuxième moyen de couplage désactivable est une roue libre, de préférence blocable, le premier moyen de couplage désactivable étant configuré pour être activé lorsque la deuxième machine électrique tourne dans un premier sens de rotation, et le deuxième moyen de couplage désactivable étant configuré pour être activé lorsque la deuxième machine électrique tourne dans un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation.

Par « moyens de couplage désactivables », on entend que les moyens de couplage peuvent être dans une position activée dans laquelle les organes reliés auxdits moyens de couplage sont couplés, ou dans une position désactivée dans laquelle lesdits organes sont découplés, étant entendu que par "organe" on entend les machines électriques, le rotor principal, le générateur de gaz et la turbine libre. Les moyens de couplage désactivables peuvent notamment comprendre une roue libre.

Compte tenu de cette configuration, il est possible de réaliser un nombre élevé de fonction, et notamment de l’hybridation interne. Plus précisément, la deuxième machine électrique peut assurer le prélèvement sur la turbine libre, par exemple en bloquant le deuxième moyen de couplage désactivable, de manière à ne pas affecter la performance du générateur de gaz, ou l'injection de puissance sur l’arbre de turbine, et donc sur le rotor principal de manière à assister celui-ci dans certaines phases de fonctionnement.

En outre, la deuxième machine électrique peut être utilisée dans un sens de rotation pour être couplée mécaniquement au générateur de gaz, et dans l’autre sens de rotation pour être couplée mécaniquement à l’arbre de turbine et donc au rotor principal. En particulier, la deuxième machine électrique tournant dans le premier sens de rotation permet le couplage avec le générateur de gaz afin de démarrer ce dernier au sol, mais également afin de compléter la puissance thermodynamique dans certaines phases de vol, pour l'assistance aux phases transitoires ou la modification du point de fonctionnement moteur par exemple.

La deuxième machine électrique tournant dans le premier sens de rotation permet également de redémarrer le générateur de gaz en vol, par exemple suite à une panne de celui-ci, sans nécessiter l’activation d’un autre organe mécanique tel qu’un embrayage. Par ailleurs, la deuxième machine électrique tournant dans le deuxième sens de rotation permet d’entrainer le rotor principal dans certaines phases de vol nécessitant un apport supplémentaire de puissance.

Par conséquent, l’architecture selon le présent exposé présente l’avantage d’être simple en limitant le nombre de composants et de connexions, tout en permettant de réaliser un nombre élevé de fonctions, notamment de l’hybridation interne, et ainsi d’améliorer la fiabilité du dispositif.

Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un frein rotor, mobile entre une position de freinage, empêchant la rotation du rotor principal, et une position libre permettant la rotation du rotor principal, le frein rotor étant disposé en amont du générateur de gaz. En d’autres termes, le système de freinage de l'hélice est disposé non pas du côté du réducteur d'hélice, mais à l'opposé de la turbomachine, dans la partie froide de celle-ci. On notera que la fonction de frein rotor peut être assurée par une roue libre blocable.

Le présent exposé concerne également un aéronef hybridé comprenant une turbomachine selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. L’aéronef hybridé peut être un avion, et la turbomachine peut être un turbopropulseur.

On comprend par « aéronef hybridé », un aéronef comprenant un moteur thermique permettant d’entrainer en rotation un rotor principal, et au moins une machine électrique permettant d’apporter de la puissance au moteur thermique.

L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :

La représente une vue en coupe d’un turbopropulseur pour aéronef hybridé selon l’invention,

La représente schématiquement le turbopropulseur de la selon un premier mode de réalisation,

La représente l’ensemble propulsif de la , selon un deuxième mode de réalisation,

La représente l’ensemble propulsif de la , selon un premier mode de fonctionnement du deuxième mode de réalisation,

La représente l’ensemble propulsif de la , selon un deuxième mode de fonctionnement du deuxième mode de réalisation,

La représente l’ensemble propulsif de la , selon un troisième mode de réalisation,

La représente l’ensemble propulsif de la , selon un quatrième mode de réalisation,

La représente l’ensemble propulsif de la , selon un cinquième mode de réalisation.

Une architecture d’une turbomachine, dans cet exemple d’un turbopropulseur 100 selon différents modes de réalisation de l’invention va être décrite dans la suite de la description, en référence aux figures 1 à 8.

La représente de façon schématique un turbopropulseur 100 d’un aéronef, entrainant en rotation le rotor principal 60 d'un avion comprenant un axe de rotor 61 portant une hélice 62.

Le turbopropulseur 100 comprend une turbine à gaz 10 ayant un générateur de gaz 12 et une turbine libre 11 apte à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz 12. La turbine libre 11 est montée sur un arbre de turbine 13 qui transmet le mouvement de rotation au rotor principal 60 par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique 50. Ainsi, l’arbre de turbine 13 est traversant, et s’étend entre une première extrémité, nommée par convention extrémité arrière (à gauche sur la ), et une deuxième extrémité, nommée par convention extrémité avant (à droite sur la ), en traversant le générateur de gaz 12 et la turbine libre 11.

La première extrémité de l’arbre de turbine 13 est en prise avec une machine électrique réversible 30, et la deuxième extrémité de l’arbre de turbine 13 est en prise avec le réducteur mécanique 50. Ainsi, selon l’invention, la turbine à gaz 10 est du type à prise de mouvement à la fois avant et arrière.

Le générateur de gaz 12 comporte un arbre de générateur 14 rotatif sur lequel sont montés au moins un compresseur centrifuge 15 et au moins une turbine 16, ainsi qu'une chambre de combustion 17 disposée axialement entre le compresseur 15 et la turbine 16 dès lors que l'on considère le générateur de gaz 12 selon la direction axiale de l'arbre de générateur 14. La turbine à gaz 10 présente un carter 18 muni d'une entrée d'air 19 par laquelle l'air frais entre dans le générateur de gaz 12. Après son admission dans l'enceinte du générateur de gaz 12, l'air frais est comprimé par le compresseur 15 qui le refoule vers l'entrée de la chambre de combustion 17 dans laquelle il est mélangé avec du carburant. La combustion qui a lieu dans la chambre de combustion 17 provoque l'évacuation à grande vitesse des gaz brûlés vers la turbine 16, ce qui a pour effet d'entraîner en rotation l'arbre 14 du générateur de gaz 12 et, par conséquent, le compresseur 15. La vitesse de rotation de l'arbre 14 du générateur de gaz 12 est déterminée par le débit de carburant entrant dans la chambre de combustion 17.

Malgré l'extraction d'énergie cinétique par la turbine 16, le flux de gaz sortant du générateur de gaz présente une énergie cinétique significative. Comme on le comprend à l'aide de la , le flux de gaz F est dirigé vers la turbine libre 11 ce qui a pour effet de provoquer une détente dans la turbine libre 11 conduisant à la mise en rotation de la roue de turbine et de l'arbre de turbine 13.

La machine électrique réversible 30, comportant un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en génératrice électrique, est disposée en bout d’arbre, en prise avec la première extrémité de l’arbre de turbine 13, de telle sorte qu’elle peut apporter de la puissance à l’arbre de turbine 13 en fonctionnant en mode moteur, ou bien prélever de la puissance mécanique sur l’arbre de turbine 13 en fonctionnant en mode génératrice. De plus, la machine électrique 30, disposée à l’extrémité arrière du turbopropulseur 100, est ainsi située dans une partie thermiquement froide de celui-ci, notamment de manière adjacente de l’entrée d'air frais 19 du générateur de gaz 12.

On comprend que la partie thermiquement froide du turbopropulseur 100 correspond à la partie amont de celui-ci selon le sens d’écoulement du flux de gaz F, notamment en amont de la chambre de combustion 17, et la partie thermiquement chaude du turbopropulseur 100 correspond à la partie aval de celui-ci, notamment au niveau de la chambre de combustion 17 et de la tuyère d’éjection des gaz chaud F.

Cette disposition de la machine électrique 30 est avantageuse compte tenu de l’encombrement important impliqué par la machine électrique 30 de forte puissance (une à plusieurs centaines de kilowatts), et compte tenu également des difficultés d’intégration d’un tel équipement liées aux contraintes thermiques dans la partie chaude du turbopropulseur 100.

Par ailleurs, compte tenu de cette architecture, l’ensemble des équipements, notamment la machine électrique 30, le générateur de gaz 12, la turbine libre 11, le réducteur mécanique 50 et le rotor principal 60, sont tous coaxiaux et centrés sur un même axe principal X. Cette architecture permet de limiter la section frontale du turbopropulseur 100, tout en permettant la réalisation d’un nombre élevé de fonctions, selon les applications envisagées. Ces différentes fonctions sont décrites ci-dessous en référence aux figures 2 à 8.

On notera de manière générale que, par souci de clarté, les figures 2 à 8 représentent schématiquement et de manière fonctionnelle et simplifiée les différents modes de fonctionnement du dispositif, sans représenter tous les détails des éléments constituant le turbopropulseur et les différents organes de transmission de puissance. En particulier, les pignons et éventuels rapports de vitesse ne sont pas représentés.

La représente schématiquement le turbopropulseur 100 de la , dans une orientation inversée, l’hélice 62 étant orientée vers la gauche sur cette figure. La partie arrière du turbopropulseur 100, autrement dit la partie thermiquement froide, comprend un boîtier 20 d’accessoires, connu sous l’acronyme « AGB » (pour « Accessory GearBox » en anglais). Ce boîtier comprend notamment la machine électrique réversible 30, et différents équipements, selon l’application choisie.

En particulier, la représente un mode de fonctionnement permettant la commutation entre le générateur de gaz 12 et la turbine libre 11. Plus précisément, la machine électrique réversible 30 est couplée mécaniquement à l'arbre de générateur 14 du générateur de gaz 12 par des premiers moyens de couplage désactivables, comprenant une première roue libre 31 et, de préférence, un premier réducteur d’adaptation de vitesse 33 disposé entre la machine électrique 30 et la première roue libre 31.

La première roue libre 31 est montée de telle sorte que la rotation de la machine électrique réversible 30 peut entraîner en rotation l'arbre de générateur 14 lorsque la machine électrique réversible 30 fonctionne en moteur électrique (premiers moyens de couplage activés) mais qu'au contraire, la rotation de l'arbre de générateur 14 ne peut pas entraîner en rotation la machine électrique réversible 30 (premiers moyens de couplage désactivés). Autrement dit, la première roue libre 31 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la machine électrique réversible 30 vers le générateur de gaz 12, et pas l'inverse. Ainsi, la rotation de la machine électrique réversible 30 est apte à entraîner en rotation l'arbre 14 du générateur de gaz 12 afin de démarrer ce dernier. Lorsque le générateur de gaz 12 a démarré, la machine électrique réversible 30 n'entraîne plus en rotation le générateur de gaz 12.

Conformément à l'invention, la machine électrique réversible 30 est également apte à être couplée à l’arbre de turbine 13 de la turbine libre 11, avantageusement par le biais de deuxièmes moyens de couplage, de telle manière que ladite machine électrique réversible 30, fonctionnant en génératrice électrique, soit apte à être entraînée en rotation par la turbine libre 11 afin de fournir de l'électricité. Les deuxièmes moyens de couplage comprennent une deuxième roue libre 32, similaire à la première roue libre 31, et un deuxième réducteur d’adaptation de vitesse 34 disposé entre la deuxième roue libre 32 et la machine électrique 30. Ce deuxième réducteur d’adaptation de vitesse 34 a un coefficient de réduction choisi de telle manière que la vitesse de la machine électrique réversible 30 soit adaptée à la plage de vitesse requise pour permettre la fourniture d'électricité. La deuxième roue libre 32 est en effet montée de telle sorte qu'elle peut transmettre un couple de rotation uniquement de l'arbre 13 de la turbine libre 11 vers la machine électrique 30.

Autrement dit, grâce à la deuxième roue libre 32, la machine électrique réversible 30 peut être entraînée par la turbine libre 11 (deuxièmes moyens de couplage activés) mais ne peut pas entraîner en rotation cette dernière (deuxièmes moyens de couplage désactivés). Lorsque la turbine libre 11 entraîne en rotation la machine électrique réversible 30, cette dernière fonctionne en génératrice électrique et produit de l'électricité.

Les première et deuxième roues libres 31, 32 sont montées en opposition. En l'espèce, elles présentent des sens d'engagement opposés. Ainsi, lorsque la machine électrique réversible 30, fonctionnant en moteur, entraîne en rotation l'arbre 14 du générateur de gaz 12 (première roue libre 31 engagée, i.e. premiers moyens de couplage activés), la deuxième roue libre 32 ne transmet pas le couple de rotation de la machine électrique réversible 30 vers l'arbre 13 de la turbine libre 11 (deuxièmes moyens de couplage désactivés). Inversement, lorsque l'arbre 13 de la turbine libre 11 entraîne en rotation la machine électrique réversible 30 fonctionnant en génératrice électrique (deuxième roue libre 32 engagée, i.e. deuxième moyens de couplage activés), la première roue libre 31 ne transmet pas le couple de rotation de la machine électrique réversible 30 vers l'arbre 14 du générateur de gaz 12 (premiers moyens de couplage désactivés).

Dans ce cas de figure, le boîtier 20 comprend la machine électrique réversible 30, les roues libres 31, 32 et les réducteurs d’adaptation de vitesse 33, 34. On notera qu’une fonction similaire est détaillée dans le document FR2929324 appliquée à un turbomoteur, dans lequel la machine électrique et le réducteur mécanique sont disposés du même côté du turbomoteur, à l’inverse de la présente invention où la machine électrique 30 et le réducteur mécanique 50 sont disposés à des extrémités opposées du turbopropulseur 100.

La représente un mode de fonctionnement dans lequel deux machines électriques réversibles sont utilisées, en remplacement des roues libres 31 et 32. Dans ce cas de figure, le boîtier 20 comprend la machine électrique réversible 30, qui est une première machine électrique, et comprend en outre une deuxième machine électrique réversible 40 couplée à l’arbre de générateur 14. Alors que la première machine électrique 30 est une machine électrique de forte puissance, notamment plusieurs centaines de kilowatts, la deuxième machine électrique 40 peut être un démarreur habituellement utilisé, d’une puissance de l’ordre de 10kW.

Cette configuration permet de réaliser un nombre élevé de fonctions, notamment de l’assistance par transfert de puissance à l’arbre de turbine 13 ou à l’arbre de générateur 14 dans certaines phases transitoires ou de l’assistance à la turbine à gaz 10 au décollage en prélevant la puissance sur un pack de batteries, ou de la génération d’électricité en vol pour recharger les batteries. Par ailleurs, le transfert de puissance entre les deux machines électriques permet également de changer le point fonctionnement de la turbomachine de manière avantageuse par l'hybridation interne. Les figures 4 et 5 illustrent des exemples de ces fonctions.

Sur les figures 4 et 5, les flèches en traits interrompus représentent un sens de transmission de puissance mécanique ou électrique entre deux éléments. Sur la par exemple, une puissance mécanique est transmise de la première machine électrique 30 vers l’arbre de turbine 13, et de l’arbre de générateur 14 vers la deuxième machine électrique 40, et une puissance électrique est transmise de la deuxième machine électrique 40 vers la première machine électrique 30.

La représente par exemple un mode d’assistance du générateur de gaz 12 vers l’arbre de turbine 13. Dans ce cas de figure, alors que la première machine électrique 30 fonctionne en mode moteur en apportant de la puissance à l’arbre de turbine 13, par exemple pour assister la turbine à gaz lors du décollage, la deuxième machine électrique 40 fonctionne en mode génératrice en prélevant de la puissance sur l’arbre de générateur 14, et en transférant de la puissance électrique vers la première machine électrique 30 via une connexion électrique 90, de manière à assister la première machine électrique 30. Le mode « génératrice » est représenté par un petit éclair sur la et la .

La représente à l’inverse un mode d’assistance de l’arbre de turbine 13 vers le générateur de gaz 12. Dans ce cas de figure, alors que la deuxième machine électrique 40 fonctionne en mode moteur en apportant de la puissance à l’arbre de générateur 14, la première machine électrique 30 fonctionne en mode génératrice en prélevant de la puissance sur l’arbre de turbine 13, et en transférant de la puissance électrique vers la deuxième machine électrique 40 via la connexion électrique 90, de manière à modifier le point de fonctionnement du générateur de gaz par exemple.

De manière alternative, la deuxième machine électrique 40 peut présenter une puissance plus élevée, par exemple équivalente à celle de la première machine électrique 30. Ce mode de fonctionnement est représenté sur la , dans laquelle la deuxième machine électrique 40 est couplée mécaniquement à l'arbre 14 du générateur de gaz 12 par l’intermédiaire d’un premier moyen de couplage désactivable, et est couplée mécaniquement à l’arbre de turbine 13 par l’intermédiaire d’un deuxième moyen de couplage désactivable.

Le premier moyen de couplage désactivable peut notamment comprendre une première roue libre 41 montée de telle sorte que la rotation de la deuxième machine électrique réversible 40 peut entraîner en rotation l’arbre 14 du générateur de gaz 12 lorsque la deuxième machine électrique fonctionne en mode moteur électrique, mais qu’au contraire, la rotation de l’arbre 14 du générateur de gaz 12 ne peut pas entraîner la deuxième machine électrique réversible 40, si la première roue libre 41 n’est pas bloquée. Autrement dit, la première roue libre 41 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la deuxième machine électrique 40 vers le générateur de gaz 12, mais pas l’inverse.

Cependant, si la première roue libre 41 est une roue blocable, le blocage de cette roue permet alors à l’arbre de générateur 14 d’entrainer la deuxième machine électrique 40 pour que celle-ci fonctionne en mode génératrice pour des modes « APU » rotor arrêté par exemple, le mode « APU » (acronyme de « Auxiliary Power Unit » en anglais) étant un mode de fonctionnement où la turbine à gaz entraine une génératrice électrique sans entrainer le rotor principal, pour permettre d’assurer l’alimentation des dispositifs électriques au sol, tels que des batteries, équipements de vol, chauffage ou climatisation.

Le deuxième moyen de couplage désactivable peut notamment comprendre une deuxième roue libre 42, de telle manière que la deuxième machine électrique 40, fonctionnant en mode moteur soit apte à entraîner en rotation l’arbre de turbine 13.

La deuxième machine électrique réversible 40 est apte à tourner dans un premier sens de rotation (par convention, un sens positif) dans lequel elle est couplée mécaniquement à l’arbre 14 du générateur de gaz 12 par l’intermédiaire de la première roue libre 41, et dans un deuxième sens de rotation (par convention, un sens négatif), opposé au premier sens de rotation, dans lequel elle est couplée mécaniquement à l’arbre de turbine 13 par l’intermédiaire de la deuxième roue libre 42.

En particulier, l’élément représenté par « -1 » sur la et les figures suivantes représente des engrenages, par exemple des pignons, permettant l’inversion du sens de rotation. On comprendra ainsi que lorsque la deuxième machine électrique 40 tourne dans le sens positif, le premier moyen de couplage désactivable est activé, et le deuxième moyen de couplage est désactivé, et lorsque la deuxième machine électrique 40 tourne dans le sens négatif, le premier moyen de couplage désactivable est désactivé, et le deuxième moyen de couplage est activé.

La deuxième machine électrique réversible 40 est constituée en l'espèce d'un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en génératrice électrique. Pour ce faire, l’une ou l’autre de la première roue libre 41 ou de la deuxième roue libre 42 peut être bloquée, par l’intermédiaire d’un moyen de blocage, de manière à pouvoir être entrainée en rotation par le rotor principal 60 ou par le générateur de gaz 12, et ainsi générer de la puissance électrique. Cette puissance électrique générée par la deuxième machine électrique 40 peut alors être transférée vers d’autres éléments du turbopropulseur 100, par exemple vers un « pack batterie » (non représenté) ou peut être échangée entre les machines électriques 30, 40 pour réaliser de l’hybridation interne.

En particulier, selon cette configuration, il est possible de réaliser un certain nombre de fonctions. Par exemple, la deuxième machine électrique 40 peut être utilisée pour effectuer un démarrage rapide de la turbine à gaz 10 en tournant dans le sens positif, et également pour injecter de la puissance sur l’arbre de turbine 13 en tournant dans le sens négatif, notamment en phase de montée, de manière à compléter la puissance apportée par la première machine électrique 30.

En outre, lorsque le générateur de gaz 12 fonctionne de manière autonome et n’est plus entraîné par la deuxième machine électrique 40, la première machine électrique 30 peut fonctionner en mode génératrice électrique en étant entrainée par l’arbre de turbine 13. La puissance électrique ainsi générée par la première machine électrique 30 peut être utilisée pour alimenter les accessoires électriques de bord ou charger la batterie.

La première machine électrique 30 et la deuxième machine électrique 40 peuvent également apporter de la puissance au rotor principal 60 en fonctionnant toutes les deux en mode moteur électrique. La deuxième machine électrique 40 tourne alors dans le sens négatif. Cette configuration peut être utile dans certaines phases de vol nécessitant un apport de puissance supplémentaire, par exemple au décollage. La première machine électrique 30 et la deuxième machine électrique 40 permettent ainsi de compléter la puissance apportée au rotor principal 60 par la turbine libre 11.

Par ailleurs, la première machine électrique 30 peut fonctionner en mode génératrice électrique et permettre un apport de puissance au générateur de gaz 12 via la deuxième machine électrique 40 tournant alors dans le sens positif. Cette configuration peut être utile dans certaines phases de vol, par exemple pour l'assistance au générateur de gaz lors d'accélérations rapides, ou pour modifier le point de fonctionnement moteur dans des conditions d’utilisation en vol « haute altitude – temps chaud ».

Il est également possible d’apporter de la puissance à la fois au rotor principal 60 par la première machine électrique 30, et au générateur de gaz 12 par la deuxième machine électrique 40, chacune fonctionnant en mode moteur électrique. La deuxième machine électrique 40 tourne alors dans le sens positif. Ceci permet notamment une assistance aux transitoires rapides, dans laquelle la première machine électrique 30 assiste le rotor principal 60 pour limiter la chute de tour, tandis que la deuxième machine électrique 40 assiste le générateur de gaz 12 pour améliorer le temps de disponibilité de la puissance sur la turbine libre 11.

Un redémarrage de la turbine à gaz 10 en vol, en cas d’arrêt de celle-ci, est également possible. Immédiatement après la détection de l’arrêt du turbopropulseur, la première machine électrique 30 fonctionne en mode moteur électrique pour fournir une puissance d’urgence au rotor principal 60. La vitesse du générateur de gaz 12 diminue alors jusqu’à une fenêtre d’allumage, permettant le redémarrage du turbopropulseur. Pendant ce temps, la deuxième machine électrique 40 peut avantageusement être mise en rotation dans le sens positif à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de rallumage. Cela permet de gagner du temps et de faciliter la resynchronisation de la deuxième roue libre 42. Lorsque la fenêtre d’allumage est atteinte, la deuxième machine électrique 40 tournant dans le sens positif entraîne alors le générateur de gaz 12 par l’intermédiaire de la première roue libre 41, permettant de redémarrer la turbine à gaz 10.

Cette architecture est particulièrement avantageuse en ce qu’elle permet, avec seulement deux machines électriques, de fournir à la fois de la puissance au rotor principal 60, par la première machine électrique 30 et la seconde machine électrique 40, tout en tout en permettant le redémarrage de la turbine à gaz 10 par la deuxième machine électrique 40 dans certaines phases de fonctionnement et une hybridation interne pour les vols hauts et chauds par exemple. On notera en outre que les différentes étapes décrites ci-dessus peuvent être réalisées par une unité de contrôle (non représentée), permettant de détecter l’arrêt du moteur, la vitesse de rotation des arbres du générateur de gaz et de la turbine libre, et de contrôler les machines électriques.

La représente un exemple alternatif d’architecture conforme à l’invention, dans laquelle le boitier 20 comprend une unique machine électrique réversible 30, entrainant en rotation l’arbre de générateur 14 via une première roue libre 31 lorsqu’elle tourne dans le sens positif, et entrainant l’arbre de turbine 13 via une deuxième roue libre 32 lorsqu’elle tourne dans le sens négatif. Cette configuration permet de réaliser la plupart des fonctions décrites ci-dessus, hormis l’hybridation interne. Dans cette configuration, au moins une des deux roues libres 31, 32 est blocable pour permettre la fonction de génération électrique.

La représente un exemple d’architecture similaire à l’exemple de la , dans lequel est disposé un frein rotor 70 entre la machine électrique 30 et la deuxième roue libre 32. Le frein rotor 70 est mobile entre une position de freinage, empêchant la rotation de l’hélice 62 et de la turbine libre 11, et une position libre permettant la rotation de l’hélice 62 et de la turbine libre 11. Le frein rotor 70 permet donc de bloquer la turbine libre 11, et donc le rotor principal 60, notamment en cas de démarrage par vent fort. La présence de l’arbre de turbine 13 traversant permet de positionner ce frein rotor 70 en zone thermiquement froide, du côté de la première extrémité de l’arbre de turbine 13, à l’arrière du turbopropulseur 100.

Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, l'utilisation des roues libres blocables ou non peut être remplacée par tout moyen actif d'accouplement tels des crabots ou embrayages. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

Turbomachine (100) pour aéronef hybridé, comprenant un générateur de gaz (12) porté par un arbre de générateur (14), au moins une turbine libre (11) portée par un arbre de turbine (13) et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz (12), un rotor principal (60), et au moins une machine électrique réversible (30), l’arbre de turbine (13) étant traversant et s’étendant axialement entre une première extrémité en prise avec la machine électrique (30), et une deuxième extrémité en prise avec le rotor principal (60).
Turbomachine (100) selon la revendication 1, dans laquelle le générateur de gaz (12) comprend un compresseur (15) et une entrée d’air (19) configurée pour alimenter le compresseur (15) en air frais, la première extrémité de l’arbre de turbine (13) en prise avec la machine électrique (30) étant disposée de manière adjacente à l’entrée d’air (19).
Turbopropulseur (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la deuxième extrémité de l’arbre de turbine (13) est en prise avec le rotor principal (60) par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique (50) disposé entre la turbine libre (11) et le rotor principal (60).
Turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une chambre de combustion (17), la deuxième extrémité de l’arbre de turbine (13) étant en prise avec le rotor principal (60) en aval de la chambre de combustion (17).
Turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la machine électrique (30) est en prise directe avec la première extrémité de l’arbre de turbine (13), de manière à tourner à la même vitesse que l’arbre de turbine (13).
Turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la machine électrique (30) est en prise avec la première extrémité de l’arbre de turbine (13) par l’intermédiaire d’un réducteur d’adaptation de vitesse (33, 34).
Turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la machine électrique (30) est apte à être couplée à l’arbre de générateur (14) de manière à mettre en rotation le générateur de gaz (12) lors d’une phase de démarrage du turbopropulseur (100), et est apte à être couplée à l’arbre de turbine (13) après la phase de démarrage afin de générer de la puissance électrique.
Turbomachine (100) selon la revendication 7, dans laquelle la machine électrique (30) est couplée à l’arbre de générateur (14) par l’intermédiaire d’une première roue libre (31) configurée pour transmettre un couple de rotation provenant de la machine électrique (30), et est couplée à l’arbre de turbine (13) par l’intermédiaire d’une deuxième roue libre (32) configurée pour transmettre un couple de rotation à la machine électrique (30).
Turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la machine électrique (30) est une première machine électrique réversible, le turbopropulseur (100) comprenant en outre une deuxième machine électrique réversible (40) en prise avec l’arbre de générateur (14), et apte à échanger de la puissance électrique avec la première machine électrique réversible (30).
Turbomachine (100) selon la revendication 9, dans laquelle la première machine électrique (30) est configurée pour fonctionner en mode génératrice, dans lequel elle est apte à être entraînée en rotation par l’arbre de turbine (13) de manière à générer de la puissance électrique, ou en mode moteur dans lequel elle est apte à apporter de la puissance à l’arbre de turbine (13).
Turbomachine (100) selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle la deuxième machine électrique (40) est apte à être couplée à l’arbre de générateur (14) par l’intermédiaire d’un premier moyen de couplage désactivable (41), et à être couplée à l’arbre de turbine (13) par l’intermédiaire d’un deuxième moyen de couplage désactivable (42).
Turbomachine (100) selon la revendication 11, dans laquelle au moins l’un du premier et du deuxième moyen de couplage désactivable (41, 42) est une roue libre, le premier moyen de couplage désactivable (41) étant configuré pour être activé lorsque la deuxième machine électrique (40) tourne dans un premier sens de rotation, et le deuxième moyen de couplage désactivable (42) étant configuré pour être activé lorsque la deuxième machine électrique (40) tourne dans un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation.
Turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant un frein rotor (70) mobile entre une position de freinage, empêchant la rotation du rotor principal (60), et une position libre permettant la rotation du rotor principal (60), le frein rotor étant disposé en amont du générateur de gaz (12).
Aéronef hybridé comprenant une turbomachine (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes.